光電催化技術(shù)與基礎(chǔ)應(yīng)用

光電催化是光催化與電催化的結(jié)合，可將兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)。 

與光催化相比，光電催化反應(yīng)中，光電可利用太陽(yáng)光照射產(chǎn)生光生電子，提高反應(yīng)活性和催化效率。 

與電催化相比，光電催化反應(yīng)大大降低了外部能量的注入，可有效減少能源消耗和環(huán)境污染。 

光電催化還可以將因能帶結(jié)構(gòu)的失配而不適用于光催化的催化劑，在適當(dāng)?shù)耐饧与妷簵l件下適用于光電催化。

光電催化反應(yīng)可根據(jù)反應(yīng)物質(zhì)和反應(yīng)類型的不同，分為光電催化分解水制氫、光電催化降解、光電催化二氧化碳還原、光電催化氮還原合成氨等等。

光電催化反應(yīng)過程是在有光照射作用下的電化學(xué)過程，是因吸收光使電子處于激發(fā)狀態(tài)，產(chǎn)生電荷傳遞的過程。由于半導(dǎo)體材料存在禁帶，價(jià)帶電子與導(dǎo)帶電子之間的相互作用很弱，受到光的激發(fā)以后，半導(dǎo)體的價(jià)帶電子進(jìn)入導(dǎo)帶，并在價(jià)帶留下空穴，引發(fā)光電化學(xué)反應(yīng)。

圖1. 三種常見的光電催化反應(yīng)池 (a)光陽(yáng)光電催化反應(yīng)池；(b)光陰光電催化反應(yīng)池；(c)串聯(lián)光電催化反應(yīng)池

光電催化是光催化與電催化的結(jié)合，可將兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)。 

基于半導(dǎo)體材料的光電催化反應(yīng)池主要包含四個(gè)部分： 

1. 光電：也稱工作電，是光電催化反應(yīng)池中的核心部件，由用于捕獲光能量的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。 

一般情況下，將n型半導(dǎo)體薄膜/導(dǎo)電基底稱為光陽(yáng)，p型半導(dǎo)體薄膜/導(dǎo)電基底稱為光陰。 

常見的光電制備方式是將光電半導(dǎo)體材料附著于氧化銦錫（ITO）或摻氟氧化錫（FTO）等有著較低功函數(shù)的透明導(dǎo)電氧化物鍍膜玻璃上，將光電夾持在如圖2（a）所示的電夾具上使用。 

2. 對(duì)電：若只研究單一光陽(yáng)或光陰時(shí)，需要引入對(duì)電來(lái)充當(dāng)另一半的半反應(yīng)場(chǎng)所。對(duì)電通常選用具有良好電荷傳輸性能和較低反應(yīng)過電勢(shì)的材料，一般為Pt電，如圖2（b）所示。 

3. 參比電：為確保施加在光電上的電位準(zhǔn)確穩(wěn)定，通常會(huì)加裝參比電，將整個(gè)光電催化反應(yīng)池構(gòu)建成三電體系。參比電可選擇Ag/AgCl電、Hg/Hg₂Cl₂電或Hg/HgO電，如圖2（c）所示。 

4. 適當(dāng)?shù)碾娊赓|(zhì)溶液：電解質(zhì)溶液在光電催化反應(yīng)反應(yīng)池中起聯(lián)通電路的作用，需要具有良好的離子電導(dǎo)率。

根據(jù)光電催化反應(yīng)中光電材料性質(zhì)的不同，電解質(zhì)溶液的pH值和構(gòu)成電解質(zhì)溶液的離子類型也不盡相同。 

在選擇電解質(zhì)溶液時(shí)需要注意的是，要確保所選的電解質(zhì)溶液不與所選用的參比電發(fā)生反應(yīng)。 

電解質(zhì)溶液可分為三種：

 1）酸性電解質(zhì)溶液：H₂SO₄溶液等； 

2）中性電解質(zhì)溶液：Na₂SO₄溶液、K₂SO₄溶液等； 

3）堿性電解質(zhì)溶液：NaOH溶液、KOH溶液等。

圖2. (a)電夾具；(b)Pt電；(c)Hg/Hg₂Cl₂電；(d)Ag/AgCl電