一、引言

      在全球工业化和城市化迅猛发展的进程中，各类有机污染物大量排放，给生态环境和人类健康带来了巨大威胁。传统的物理、化学和生物处理方法在应对结构复杂、毒性高、难降解的有机污染物时，往往存在处理效率低、成本高、易产生二次污染等问题。光电催化降解技术作为一种极具潜力的新型污染处理技术，其独特的反应机制使其能够在相对温和的条件下，高效地将有机污染物转化为二氧化碳、水等无害小分子物质，在环境保护领域展现出广阔的应用前景。

二、光电催化降解的原理

2.1 光催化反应基础

      光催化反应的核心是半导体材料在光照下的光电效应。当具有合适能量的光子照射到半导体光催化剂表面时，半导体价带上的电子会吸收光子能量，跃迁至导带，从而在价带留下空穴，形成电子 - 空穴对。以常见的二氧化钛（TiO₂）光催化剂为例，其禁带宽度约为 3.2 eV，当受到波长小于 387.5 nm 的紫外光照射时，便会发生上述电子跃迁过程。

      光生电子具有较强的还原性，能够与吸附在催化剂表面的电子受体发生还原反应；而光生空穴具有强氧化性，可与吸附在催化剂表面的水分子或氢氧根离子发生反应，生成具有极高反应活性的羟基自由基（・OH）。此外，光生电子还能与氧气分子反应，生成超氧自由基（・O₂⁻）等活性氧物种。这些活性氧物种能够通过一系列自由基反应，将吸附在催化剂表面的有机污染物逐步氧化分解为二氧化碳和水等无机小分子，从而实现污染物的降解。

2.2 电催化对光催化的协同作用

      在光电催化体系中引入电场，能够显著提升光催化反应的效率。电场的存在可以有效促进光生电子和空穴的分离，减少它们的复合几率。具体而言，在电场作用下，光生电子会向阴极移动，而光生空穴则向阳极移动，这种定向迁移使得电子和空穴能够更有效地参与到氧化还原反应中。

      例如，在以 TiO₂为光催化剂的光电催化体系中，施加外部电场后，光生电子迅速迁移至阴极，在阴极表面参与还原反应，如将氧气还原为过氧化氢或水；而光生空穴则迁移至阳极，在阳极表面与有机污染物发生氧化反应。同时，电场还可以增强催化剂表面对反应物的吸附能力，进一步提高反应速率。通过光催化与电催化的协同作用，光电催化降解技术能够在较低的能耗下实现更高的污染物降解效率。

2.3 常见光催化剂的作用机制

      目前，常见的光催化剂主要包括 TiO₂、氧化锌（ZnO）、硫化镉（CdS）、二氧化锆（ZrO₂）等半导体材料。不同的光催化剂由于其晶体结构、能带结构以及表面性质的差异，具有不同的光催化活性和选择性。

      以 TiO₂为例，其具有化学性质稳定、催化活性高、价格低廉、无毒等优点，是目前研究最为广泛且应用最为成熟的光催化剂。TiO₂的晶体结构主要有锐钛矿型和金红石型两种，锐钛矿型 TiO₂通常具有更高的光催化活性，这是因为其晶体结构中存在更多的氧空位，有利于光生载流子的分离和传输。在光催化反应中，TiO₂吸收光子产生的光生电子和空穴能够迅速迁移至催化剂表面，与吸附在表面的物质发生氧化还原反应。

      ZnO 也是一种常用的光催化剂，其禁带宽度约为 3.37 eV，与 TiO₂相近。ZnO 具有良好的光电性能和化学稳定性，在光催化降解有机污染物方面表现出一定的活性。然而，ZnO 在水溶液中容易发生光腐蚀现象，导致其稳定性较差，这在一定程度上限制了其实际应用。

      CdS 的禁带宽度较窄，约为 2.4 eV，能够吸收可见光，因此在可见光催化领域具有潜在的应用价值。但 CdS 存在光生载流子复合率高、易发生光腐蚀等问题，需要通过改性手段来提高其光催化性能和稳定性。

三、影响光电催化降解效率的因素

3.1 光催化剂的性质

3.1.1 晶体结构

      光催化剂的晶体结构对其光催化性能有着显著影响。不同晶体结构的光催化剂，其电子结构、晶格缺陷以及表面性质等存在差异，进而影响光生载流子的产生、分离和传输效率。以 TiO₂为例，锐钛矿型 TiO₂的光催化活性通常高于金红石型 TiO₂。研究表明，锐钛矿型 TiO₂的晶体结构中，TiO₆八面体的连接方式使其具有更多的表面羟基和氧空位，这些表面缺陷能够促进光生载流子的分离，并为反应物提供更多的吸附位点，从而提高光催化反应速率。

3.1.2 能带结构

      光催化剂的能带结构决定了其对光的吸收范围和光生载流子的氧化还原能力。半导体光催化剂的导带和价带之间存在一定的能量间隙，即禁带宽度。禁带宽度越窄，光催化剂能够吸收的光子能量越低，对可见光的响应能力越强。例如，通过掺杂、复合等手段可以调节光催化剂的能带结构，使其能够在更广泛的光谱范围内吸收光能，提高光催化效率。如在 TiO₂中掺杂过渡金属离子（如 Fe³⁺、Cu²⁺等）或非金属元素（如 N、S 等），可以在 TiO₂的禁带中引入杂质能级，降低禁带宽度，从而拓展其光响应范围至可见光区域。

3.1.3 比表面积

      光催化剂的比表面积直接影响其与反应物的接触面积和吸附能力。较大的比表面积能够提供更多的活性位点，有利于反应物的吸附和光催化反应的进行。例如，采用纳米结构制备的光催化剂，如 TiO₂纳米颗粒、纳米管、纳米线等，通常具有较高的比表面积。研究发现，TiO₂纳米管阵列由于其独特的一维管状结构，比表面积大，且有利于光生载流子的传输，在光电催化降解有机污染物方面表现出优异的性能。

3.2 反应体系的条件

3.2.1 溶液 pH 值

      溶液的 pH 值对光电催化降解效率有重要影响。一方面，pH 值会影响光催化剂表面的电荷性质和吸附性能。例如，在酸性条件下，TiO₂表面带正电荷，有利于吸附带负电荷的有机污染物；而在碱性条件下，TiO₂表面带负电荷，对带正电荷的有机污染物吸附效果较好。另一方面，pH 值会影响溶液中活性氧物种的生成和稳定性。在不同 pH 值条件下，光生空穴与水分子或氢氧根离子反应生成羟基自由基的速率不同，从而影响光催化反应速率。此外，pH 值还可能影响有机污染物的存在形态和降解途径。例如，对于某些含有酸性或碱性官能团的有机污染物，溶液 pH 值的变化可能导致其分子结构发生改变，进而影响其降解效率。

3.2.2 温度

      温度对光电催化降解反应的影响较为复杂。一般来说，适当升高温度可以加快反应速率，这是因为温度升高能够增加反应物分子的热运动，提高其与光催化剂表面的碰撞频率，同时也有利于降低反应的活化能。然而，过高的温度可能导致光催化剂的烧结和失活，同时还可能促进光生载流子的复合，从而降低光催化效率。此外，对于一些易挥发的有机污染物，过高的温度可能导致其挥发损失，影响降解效果。因此，在实际应用中需要根据具体的反应体系和污染物性质，选择合适的反应温度。

3.2.3 外加电场强度

      外加电场强度是影响光电催化降解效率的关键因素之一。在一定范围内，增加电场强度可以促进光生电子和空穴的分离，提高载流子的迁移速率，从而增强光催化反应活性。然而，当电场强度超过一定阈值时，可能会引发副反应，如电极表面的析氧或析氢反应，消耗电能并降低光电催化降解效率。此外，过高的电场强度还可能导致光催化剂表面的电荷分布不均，影响反应物的吸附和反应活性。因此，需要通过实验优化确定最佳的外加电场强度，以实现高效的光电催化降解。

3.3 光源与光强

3.3.1 光源类型

      不同类型的光源具有不同的光谱分布和能量输出，对光电催化降解效果产生显著影响。常见的光源包括紫外灯、可见光 LED 灯、氙灯等。紫外灯能够发射出波长较短、能量较高的紫外线，适合激发禁带宽度较大的光催化剂，如 TiO₂。然而，紫外光在环境中的穿透能力较弱，且对人体和生物具有一定的危害。可见光 LED 灯具有能耗低、寿命长、光谱可调节等优点，能够根据光催化剂的吸收特性选择合适的波长，激发对可见光响应的光催化剂，如掺杂改性后的 TiO₂、CdS 等。氙灯能够模拟太阳光的连续光谱，在研究光催化反应的实际应用效果方面具有重要作用，但氙灯能耗较高，设备成本也相对较高。

3.3.2 光强

      光强是影响光催化反应速率的重要因素之一。在一定范围内，增加光强可以提高光生电子 - 空穴对的产生速率，从而加快光催化反应速率。然而，当光强超过一定值后，光催化反应速率的增加逐渐趋于平缓，甚至出现下降趋势。这是因为在高光强下，光生载流子的复合几率增大，同时过高的光强可能导致光催化剂表面温度升高，引发热效应，影响光催化剂的稳定性和活性。此外，光强还可能影响活性氧物种的生成和反应途径，进而对光电催化降解效率产生影响。因此，在实际应用中需要根据光催化剂的特性和反应体系的要求，合理选择光强，以实现最佳的降解效果。

3.4 反应物浓度

       反应物浓度对光电催化降解效率的影响呈现出复杂的变化规律。在较低浓度范围内，随着反应物浓度的增加，光催化反应速率逐渐提高。这是因为反应物浓度的增加使得更多的反应物分子能够吸附在光催化剂表面，增加了反应活性位点，从而促进了光催化反应的进行。然而，当反应物浓度过高时，光催化反应速率反而会下降。一方面，过高的反应物浓度可能导致光催化剂表面被大量反应物分子覆盖，阻碍了光生载流子与反应物的接触，降低了光催化效率；另一方面，高浓度的反应物可能会引起光催化剂的团聚或中毒，影响其活性和稳定性。此外，过高浓度的反应物还可能导致反应过程中产生的中间产物积累，进一步抑制光催化反应的进行。因此，在实际应用中需要根据光催化剂的性能和反应体系的特点，合理控制反应物浓度，以实现高效的光电催化降解。

四、光电催化降解的应用领域

4.1 污水处理

4.1.1 有机废水处理

      有机废水是一类成分复杂、毒性高、难降解的废水，传统处理方法难以达到理想的处理效果。光电催化降解技术在有机废水处理方面具有独特的优势，能够有效降解废水中的各种有机污染物。例如，对于印染废水，其中含有大量结构复杂、颜色深、生物毒性强的染料分子，采用光电催化降解技术可以将染料分子中的共轭双键、苯环等结构破坏，使其逐步降解为小分子物质，实现脱色和无害化处理。研究表明，以 TiO₂为光催化剂，在紫外光照射和外加电场作用下，对多种印染废水的降解率可达 90% 以上。

      对于制药废水，其中含有抗生素、激素等难降解有机污染物，传统生物处理方法难以将其有效去除。光电催化降解技术能够通过产生的强氧化性活性氧物种，将这些难降解有机污染物氧化分解为无害物质。例如，在处理含有四环素的制药废水时，利用光电催化降解技术可以在较短时间内将四环素的浓度降低至检测限以下，有效解决了制药废水的污染问题。

4.1.2 重金属废水处理

      重金属废水对环境和人类健康危害极大，传统处理方法存在成本高、二次污染等问题。光电催化降解技术在重金属废水处理方面也展现出了良好的应用前景。在光电催化体系中，光生电子具有较强的还原性，能够将重金属离子还原为金属单质或低价态离子，从而实现重金属的去除和回收。例如，对于含汞废水，利用光催化剂在光照下产生的光生电子可以将 Hg²⁺还原为 Hg⁰，通过沉淀或吸附等方法将汞从废水中分离出来。同时，光电催化过程中产生的活性氧物种还可以氧化废水中的有机污染物，实现重金属与有机物的协同去除。研究表明，采用 TiO₂/ 石墨烯复合光催化剂处理含汞和有机污染物的复合废水，在紫外光照射和外加电场作用下，汞的去除率可达 95% 以上，同时有机物的降解率也能达到 80% 以上。

4.2 空气净化

4.2.1 挥发性有机物（VOCs）去除

      挥发性有机物是室内外空气污染的主要成分之一，来源广泛，包括工业废气、汽车尾气、建筑装饰材料等。VOCs 不仅会对人体健康造成危害，如刺激呼吸道、引发过敏反应、具有致癌性等，还会参与大气光化学反应，导致光化学烟雾等二次污染。光电催化降解技术能够将空气中的 VOCs 高效转化为二氧化碳和水等无害物质，实现空气净化。例如，对于室内空气中常见的甲醛污染，利用负载在多孔材料上的 TiO₂光催化剂，在紫外光或可见光照射下，通过光电催化反应可以将甲醛分解为二氧化碳和水。研究表明，在一定条件下，光电催化降解甲醛的效率可达 90% 以上，有效改善了室内空气质量。

      对于工业废气中的苯、甲苯、二甲苯等挥发性芳烃类污染物，光电催化降解技术同样具有良好的去除效果。通过优化光催化剂的性能和反应条件，如选择合适的光催化剂载体、调控光催化剂的晶体结构和能带结构等，可以提高对这些污染物的降解效率和选择性。例如，采用掺杂改性的 TiO₂光催化剂处理含有苯系物的工业废气，在可见光照射和外加电场作用下，苯系物的降解率可达到 85% 以上。

4.2.2 氮氧化物（NOx）净化

     氮氧化物是大气污染物的重要组成部分，主要来源于化石燃料的燃烧和工业生产过程。NOx 会导致酸雨、臭氧层破坏、光化学烟雾等环境问题，对生态环境和人类健康造成严重危害。光电催化降解技术为氮氧化物的净化提供了一种新的途径。在光电催化体系中，光生空穴和活性氧物种能够将 NOx 氧化为高价态的氮氧化物，如 NO₂⁻、NO₃⁻等，然后通过吸附、沉淀等方法将其从空气中去除。例如，利用 TiO₂基光催化剂在紫外光照射下对 NO 进行光电催化氧化，NO 的转化率可达 80% 以上。通过在光催化剂中引入过渡金属离子或贵金属纳米颗粒等助剂，可以进一步提高对 NOx 的净化效率和选择性。研究表明，采用 Ag/TiO₂复合光催化剂处理含 NOx 的模拟废气，在可见光照射下，NOx 的去除率可达到 90% 以上，且具有良好的稳定性和抗中毒性能。

4.3 其他应用领域

4.3.1 自清洁材料

      将光电催化技术应用于材料表面改性，可制备出具有自清洁功能的材料。在这类材料表面负载光催化剂，如 TiO₂，当受到光照时，光催化剂产生的光生电子和空穴能够引发一系列氧化还原反应，分解吸附在材料表面的有机污染物和微生物。例如，在建筑外墙涂料中添加 TiO₂光催化剂，在太阳光照射下，涂料表面的光催化剂能够将空气中的灰尘、油污等有机污染物分解为二氧化碳和水，使建筑外墙保持清洁。同时，光催化剂产生的活性氧物种还具有杀菌消毒作用，能够有效抑制微生物在材料表面的生长和繁殖。研究表明，含有 TiO₂光催化剂的自清洁涂料在户外使用一段时间后，表面污垢的附着量明显减少，且具有良好的抗菌性能，能够有效杀灭常见的细菌和霉菌。

     在纺织品领域，通过将光催化剂负载在纤维表面，可制备出具有自清洁功能的纺织品。这种纺织品在光照下能够自动分解附着在表面的污渍，无需频繁洗涤，不仅节省了水资源，还延长了纺织品的使用寿命。例如，将 TiO₂纳米颗粒通过溶胶 - 凝胶法负载在棉纤维表面，制备出的自清洁棉织物在模拟太阳光照射下，对亚甲基蓝等有机染料的降解率可达 90% 以上，同时对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等细菌的杀菌率也能达到 95% 以上。

4.3.2 抗菌消毒

      光电催化降解技术在抗菌消毒领域具有广阔的应用前景。光催化剂在光照下产生的活性氧物种，如羟基自由基、超氧自由基等，具有极强的氧化能力，能够破坏细菌、病毒等微生物的细胞膜、蛋白质和核酸等生物大分子结构，从而实现抗菌消毒的目的。与传统的化学消毒方法相比，光电催化抗菌消毒具有无二次污染、杀菌效率高、适用范围广等优点。例如，在医疗领域，利用负载有光催化剂的医疗器械表面，在光照下能够有效杀灭附着在器械表面的细菌和病毒，降低交叉感染的风险。

五、结语

      从催化剂优化角度，开发新型高效催化剂是关键。一方面，通过多元复合的方式，将不同功能的半导体材料复合在一起，构建更为复杂且高效的异质结结构。例如，将具有宽光谱响应的硫化镉与具有高载流子迁移率的二氧化钛进行复合，形成 S 型异质结，不仅拓宽了光响应范围，还提升了光生载流子的分离效率。另一方面，利用量子点技术，制备尺寸量子化的催化剂，量子限域效应可显著提升催化剂的光吸收与电荷分离能力 。​

      在光电催化反应装置设计方面，研发高效的光收集与传输系统以及优化电极结构至关重要。设计具有光聚焦功能的反应装置，如采用抛物面镜等光学元件，将太阳光聚焦到催化剂表面，提高光强，增强光催化反应驱动力。对于电极结构，开发三维多孔电极，增大电极的比表面积，促进电解液与电极的充分接触，加速传质过程，减少浓差极化，从而提升光电催化反应效率 。

产品展示

      SSC-PECRS电催化连续流反应系统主要用于电催化反应和光电催化剂的性能评价，可以实现连续流和循环连续流实验，配置反应液体控温系统，实现主要用于光电催化CO2还原反应全自动在线检测系统分析，光电催化、N2催化还原，电催化分析、燃料电池、电解水等。

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