光触媒（Photo catalyst ）是光（Photo=Light）和触媒（ 催化剂 catalyst）的合成词，是一类以 二氧化钛 （ 钛 Dioxide，TiO₂）为代表的具有光催化功能的 半导体材料 的总称。光触媒技术称为纳米光催化技术，起源于20世纪70年代中期。 半导体二氧化钛由于具有良好的生物和 化学 惰性、高 介电常数 和催化活性、低成本、无毒以及对光腐蚀有很好的稳定性等优点，被认为是光触媒的代表。 其原理是用 二氧化钛 经 纳米技术 处理作为光触媒，在紫外光作用下产生光氧化还原能力，使微生物和化学污染物彻底分解成 二氧化碳 和水，以达到对环境污染微生物和化学污染物的净化作用。
光触媒在防污、抗菌、脱臭、空气净化、 水处理 以及环境污染治理等方面已经得到了广泛应用，且能作为食品药品添加剂，经过美国FDA认证，非常安全，对人体无害。 能作为光触媒的材料众多，除了 二氧化钛 （TiO₂）外、还有 氧化锌 （ ZnO ）、 二氧化锡 （SnO₂）、 二氧化锆 （ZrO₂）、 硫化镉 （ CdS ）等多种 氧化物 硫化物 ，它们多为n型 半导体材料 ，其中二氧化钛是世界上最当红的纳米光触媒材料。
发现历史
20世纪20年代，人们发现涂料中的TiO 2 具有使颜料褪色的“ 钛白 ”现象，这是最早观察到的光催化现象。光催化有关的最早文献是1921年瑞士人Renz的报道，随后，有关 二氧化钛 的 光化学 性质引起了许多深入研究。20世纪50年代这一领域的研究兴趣转向了 ZnO ，大量工作主要是关于 ZnO 光照表面形成H 2 O 2 的研究。1972年， 日本 的Fujishima及 本田技研工业 在《 自然 》刊物上首先发表了以 二氧化钛 为 阳极 、铂（Pt）为 阴极 的 光电化学电池 ，在光的照射下，将 水电解 成 氧气 与 氢气 ，光 催化 和光电催化的研究才受到广泛关注，人们将这种现象命名为 Honda- Fujishima效应。当时由于 第一次石油危机 的关系，如何利用 太阳能 由水制造出氢气，是一项全球重视的研究方向。在这股风潮下，20世纪70-80年代人们对半导体 光化学 的了解有了长足的增进，同时也促成了半导体光催化的发展。1977年Frank及Bard报道了以 二氧化钛 为光触媒可以把水中的 氰化物 （ Cyanide ）分解的研究报告，更把二氧化钛光触媒的应用朝环保方面推展，并发现其他半导体化合物如 ZnO 、 CdS 、Fe 2 O 3 和WO 3 等同样适用于光催化反应中。80年代末至90年代末期，光催化研究取得两个重要突破：一是1991年Graetzel等提出了 染料 敏化纳晶TiO 2 太阳能电池 的新概念；一是1997年Fujishima等发现了TiO 2 表面光诱导的双亲特性。90年代末，一方面主要通过掺杂、修饰等方法研制宽谱响应的第二代TiO 2 光催化剂，另一方面是设计高效宽谱响应的新型半导体光催化剂，复合金属 氧化物 In 1-x Ni x TaO 4 是这一阶段的标志性研究。
经过多年发展，光触媒材料种类大大丰富，由传统的 无机化合物 TiO 2 发展到Bi系 含氧酸盐 、Fe 2 O 3 、 ZnO 、 ZnS 、 CdS 等其他半导体无机金属化合物，再到g-C 3 N 4 、 有机高分子化合物 聚合物等不含金属的光催化材料，到 酰亚胺 纯 有机半导体 光催化材料的出现；由一元光催化剂到二元/多元复合光催化剂；由单紫外光响应的光催化剂发展到 可见光 甚至全光谱响应的光催化剂；由单一功能光催化剂发展到多功能光催化剂，半导体光催化剂材料的研究得到了长足的进步。
作用机理
n型半导体的光催化特性是由其特殊 能带结构 决定的。半导体的能带结构常由一个充满 电子 的低能 价带 （VB）和一个高能 导带 （CB）构成，价带与导带之间的区域称为禁带，同时区域的大小称为禁带宽度。半导体的禁带宽度一般为0.2~3.0eV，是一个不连续的区域。当照在半导体粒子上的 光子 能量等于或大于禁带宽度（3.2eV）时，其价带上的电子e⁻被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相对应的 空穴 ；对于TiO₂，这对应的光波长为387.5nm。由于半导体的能带不连续，电子-空穴对的寿命较长，在扩散或 电场 作用下，迁移到半导体粒子表面的各个部位，与 吸附 在粒子表面上的物质发生反应，或者被其他物质捕获。
以TiO₂为例，被激发的高度活性的光生 电子 空穴对具有极强的氧化还原能力，e⁻可以与吸附在TiO₂光催化剂表面的O₂发生还原反应生成O₂⁻，O₂⁻进而与H⁺反应生成H₂O₂，并进一步生成具有强氧化性的 羟基自由基 （HO・）；h⁺和吸附在光催化剂表面的OH⁻和H₂O发生氧化反应，生成羟基自由基（HO・），羟基自由基把吸附在光催化剂表面的 有机化合物 进行降解甚至矿化，生成H₂O、CO₂ 小分子 和 无机化合物 离子等无害物质。
物质结构
晶相结构
光触媒的主要代表 二氧化钛 主要有锐钛型和 金红石 型两种晶型。由于晶胞 八面体 的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同，使得金红石型二氧化钛表面 吸附 有机物和 氧气 的能力不如 锐钛矿 型，因而锐钛矿型的催化活性明显高于金红石型。 下图为金红石和锐 钛矿 TiO₂的八面体结构：
对其表面吸附程度和活性中心的研究发现， 二氧化钛 不同晶面上粒子的排布不同，对物质降解的光催化活性和选择性有很大差别，因此锐钛矿型和 金红石 型二氧化钛构成的混合晶型的光催化活性一般要比单一晶型的光催化活性强。
晶格缺陷研究表明，晶格缺陷是光催化反应中的活性位。但过多的缺陷也可能成为 电子 空穴 的复合中心，从而降低反应活性。
晶粒大小
粒径 是影响光催化活性的重要因素，纳米尺寸（1-10 nm）的 晶粒 能产生量子尺寸效应，导致禁带变宽，从而具有更强的氧化还原能力，且催化活性也随着尺寸量子化程度的提高而增加。同时，纳米TiO2由于具有表面效应与界面效应，表面原子迅速增加，光吸收效率增高，从而增加了表面光生载流子的浓度。量子化的粒子更容易让分离的 电子 空穴 对扩散到表面，从而减少体相内的复合几率，并增加 催化剂 的表面积，使得 比表面积 对反应 速率 的约束减小，且表面缺陷和活性中心增加，有利于光催化活性的提高。
表面积
当晶格缺陷等其他因素相同时，表面积越大， 吸附 量越大，光催化反应的活性也就越高。
理化性质
物理性质
光触媒具有超 亲水性 ，通常情况下，光触媒涂覆表面与水有较大的 接触角 ，但经紫外光照射后，水滴能完全浸润在光触媒表面，显示非常强的超亲水性。停止光照后，表面超亲水性可维持数小时到一周左右，随后慢慢恢复到疏水状态。再用紫外光照射，又可表现为超亲水性。即采用间歇紫外光照射就可以使其表面始终保持超亲水状态。 光触媒具有持久性，在反应过程中，其本身只起 催化 媒介作用，并不随时间延长而消耗，使用寿命持久。
化学性质
光触媒主要成分为 二氧化钛 ，其 化学 稳定性非常高，常运用于化妆品和食品中，对人体安全无副作用。 二氧化钛作为光催化剂，在反应中不释放有害物质且本身不参与反应，在反应过程中能将所作用的物质完全氧化成无害的 小分子 物质，对环境亦无毒无害。 ，同时，二氧化钛具有抑菌性，能氧化分解空气和介质表面 有机物 ，切断微生物的有机营养源。
二氧化钛 光催化剂作用高效广谱，其反应活性 羟基 具有40218 mJ/ mol 的反应能，高于有机物各类 化学键 ，具有很强的氧化还原能力，和其他 消毒剂 比，其作用效果更为迅速，在光触媒反应过程中，不仅能破坏 生物因子 ，也能破坏各种有机化学物质。
分解水制氢
降解苯系物
苯系物 光催化降解的最终产物基本上都是 二氧化碳 和水，但光催化反应过程非常复杂，所生成的中间产物受 催化剂 的制备方法及反应条件的影响较大。无论是降解混合气体，还是降解单一气体，所得到的中间产物也都有差异。例如I.Dhada等在含有 二氧化钛 催化 剂的 间歇 反应器 内，通过紫外光源照射，研究光催化降解 挥发性有机物 苯、 甲苯 和 对二甲苯 发现，在低浓度条件下，苯是甲苯催化生成的中间产物，苯和甲苯是对二甲苯的中间产物。J.H.Park等制备涂有 硅胶粉 二氧化钛膜，发现在光 催化 流化床反应器 中催化降解苯、 甲苯 、 乙苯 和 二甲苯 时，检测到的反应产物为 苯甲醛 、 丙二酸 、 乙醛 、 甲酸 ，以及少量 吸附 在 催化剂 表面的甲酸和 苯甲醇 等中间产物。
降解染料
Hinda Lachheb等人系统研究了 二氧化钛 催化 降解 茜素 S 、红色G、 甲基红 、刚果红、 亚甲基蓝 的过程，结果表明：二氧化钛可迅速降低 染料 溶液的TOC、COD指数，并最终降至近于0，说明利用二氧化钛可以使有机染料分子逐步降解为有机 小分子 ，并最终矿化为 无机化合物 的 二氧化碳 和水。
制备方法
以光触媒TiO₂为例，研究人员根据其优缺点的不同，总结出了大约有数十种制备方法，主要为水热法、 溶胶 凝胶法、液相沉积法、液相 水解 法及微乳液法等。
水热法
水热法是以机钛 醇盐 或无机钛盐为原料与 矿化剂 （某些酸、碱、盐）的 水溶液 （或有机 溶剂 ）置入 高压釜 在高温、高压下进行水解反应的合成方法。水热法制备的TiO₂粒子具有 结晶度 高、缺陷少、一次 粒径 小、分布均匀、团聚程度小、控制工艺条件可得到所要求晶相和形状的优点。
溶胶-凝胶法
以 钛酸丁 （Ti(OC₄H₉)₄）为前驱物， 乙醇 （C₂H₅OH）为 溶剂 ， 乙酸 （CH₃COOH）为 合剂制备TiO₂ 溶胶 ， 钛酸丁酯 含有活泼的丁氧基反应 基团 ，遇水会发生强烈的 水解 反应，失水缩聚和失醇缩聚反应相继进行，得到的溶胶经陈化形成三维网络的 凝胶 ，在干燥的基础上形成含有有机基团和有机溶剂的 干凝胶 ，经过研磨，煅烧干凝胶得到纳米级光催化剂TiO₂。 反应过程为：
液相水解法
水解法是利用TiCl₄、Ti(SO₄)₂等 无机 钛 盐水 解生成 羟基 氧钛，再经煅烧得到纳米TiO₂光催化材料。该法的缺点是煅烧容易引起纳米粒子间的二次团聚，影响产品的分散性。
液相沉淀法
沉淀法一般以TiCl₄或Ti(SO₄)₂等 无机化合物 钛盐为原料，将 氨水 、 尿素 、( NH₃ )₂CO₃或 氢氧化钠 加入到钛 盐溶液 中，生成无定形的Ti(OH)₄，再经煅烧来合成不同晶型的纳米TiO₂。 该法设备工艺简单，技术要求不高，成本低廉，产品纯度高，且易于批量生产；其缺点是洗涤去除 沉淀物 中的 阴离子 较困难，而且生成产品的粒子 粒径 分布较宽，容易引入杂质。反应方程式为：
微乳液法
微乳液由 工业味精 、 助表面活性剂 、有机 溶剂 和 水溶液 组成。当两种含有不同反应物的微乳液混合后， 胶束 颗粒的碰撞使水核内物质发生相互交换和传递，钛盐在水中的 水解 反应就在水核内进行，当核内粒子长到一定尺寸时， 表面活性剂 分子就附在粒子表面，使粒子稳定并防止其进一步长大，分离粒子与微乳液，用有机溶剂洗去粒子表面的油和活性剂，最后在一定温度下干燥，煅烧可以得到纳米TiO₂。 在水核中的反应式为：
催化性能
提高光触媒催化活性的方法，以TiO₂光催化剂为例，主要有半导体复合、贵金属修饰、过渡金属掺杂、 稀土元素 掺杂、表面光敏化等。
半导体复合就是利用复合半导体具有两种不同 能级 的 导带 和 价带 ，激发后 电子 和 空穴 将分别迁移至TiO₂的导带和 复合材料 的价带，从而实现 载流子 的有效分离，提高 催化剂 的活性； 贵金属修饰是利用其富集电子的作用，分离光生电子和空穴，抑制电子空穴对的复合，最常见的是Pt和Ag； 过渡金属掺杂常使用第一系列过渡金属，第二系列过渡金属和第二、六副族金属离子掺杂TiO₂提高催化活性； 表面光敏化是利用有机 染料 在 可见光 区有较好吸收的特点来拓展光激发响应范围，常见的光敏化剂有 赤藓红 B（Erythrosin B）、 硫堇 （Thionine）、 曙红 （Eosine）、酞青、 叶绿酸 、蕙-9- 甲酸 、紫菜碱和玫瑰红。
应用领域
能源方面
氢气 作为一种高能量 清洁能源 备受瞩目，生物废料的热解气化、 碳氢化合物 的 催化 分解、 乙醇 和 甲烷 的蒸气和干法重整以及光催化水裂解等制氢技术已得到应用。其中光催化分解制氢相比其他方法在简化生产程序和降低能耗方面更有优势。光催化制氢通常是利用两类丰富的 可再生资源 水和阳光分解制氢，例如 染料 敏化光催化剂在 可见光 照射下被激发， 电子 在光催化剂 晶体 中传输，以完成还原水分子释放氢的过程。
纳米光催化剂 能应用于 太阳能电池 ，它的制备是通过 二氧化钛 、 氧化锌 、 氧化铁 、 硫化镉 等 纳米材料 涂敷在透明的 电极 上然后 烧结 ，使粒子聚集在一起形成良好的电接触。纳米结构材料应用于太阳能电池，具有成本低、稳定性好、光电转化率高等特点。特别是 染料 敏化 二氧化钛 太阳能电池在电子工业、航天、军事等方面有广泛用途。
光触媒还能应用于光催化CO 2 的反应中，光催化CO 2 还原又叫人工 光合作用 ，可以将CO 2 光催化转化为各种各样的 有机化合物 ，例如 甲烷 、 甲醛 、 甲醇 、 甲酸 等。光催化CO 2 转换与光催化制氢所涉及的物理反应部分一样，即利用光激发半导体产生 电子 空穴 ，然后迁移至 催化剂 表面，而化学反应则是CO 2 得到电子被还原为 有机物 。用于反应的光催化剂包括金属 氧化物 ，金属 硫化物 和 磷化物 ，多元金属氧化物，非金属化合物等。与传统的热 催化 相比，光电催化CO 2 还原反应具有绿色、节能、环保的优点。
农业生产
采用光触媒的光氧化催化性，把光触媒设计到水质处理系统当中，利用其可以分解有机污染物、抑制菌类及 藻类 滋生的特点，作为养殖池的 水质净化 材料；采用纳米级的 二氧化钛 光触媒，进行太阳光型的农药废液的无害化处理，具有成本低，效率高无最终废弃物产生的优点；使用光触媒代替土壤的各种人工基质作为介质的养液栽培模式，可以循环重新利用栽培养液，从而达到经济节能的效果；光触媒结合 活性炭 ，能高效地分解处理污染土壤的 VOC 、 二氧芑 和臭气，是一种环境保全型与友好型的处理土壤的方法；通过光触媒，能够改善土壤的 理化 生态 性状 ，达到改良土壤的目的；利用微生物与光触媒技术相结合，能强化分解转化滤化物质成为无害的 二氧化碳 与水，是工厂化养殖与 观赏鱼 的槽式养殖的一种 水处理 新技术；光触媒还能应用于果蔬保鲜技术，水果、蔬菜、谷类产品释放的 乙烯 、 乙醇 分解成二氧化碳和水气，并能高效杀灭细菌、 霉菌 ，提供优良保鲜环境，延长食品保存期；用于叶面撒发，以提高 叶绿素 的含量与 光合作用 效率，同时对于生产环境的空气净化与病虫的忌避也有明显的效果。
图为光触媒废液处理净化系统：
消毒杀菌
光触媒具有室内空气洁净和物体及环境表面洁净的两大功能，能够在医院 手术室 、供应室、重症监护室、新生儿室等重点部门室内安装带光触媒与 紫外线 装置的 空气净化器 净化空气；在医院病房内床具、室内表面喷镀光触媒，进行表面洁净；能在公共娱乐场所、居室内、卫生间表面喷涂光触媒，保持洁净卫生，消除居室内有害气体；在制药和食品生产车间表面喷涂 二氧化钛 光触媒，使重要车间卫生均要求符合GMP标准，且能维持标准；在交通工具特别是在公交车、小型卧车、采血车及其他卫生用车采用光触媒技术，可预防交叉感染和消除有害气体。将纳米光触媒通过织染复合工艺整合在各种纤维上，可以用以制作各种抗菌防护用品，如 医用口罩 、防护服、病房卧具、手术衣等，也可用于宾馆卧具、制药和食品行业工作服乃至日常生活服装。 图为纳米光触媒空气净化消毒器：
污染物处理
废水 中的污染物主要是工业废水、生活废水以及 水处理 过程中引入的污染物，包括含 卤素化合物 、 表面活性剂 、 有机磷化合物 （杀虫剂、农药等）、油类、 酚类 、醚类、 染料 、 烃类 、苯类以及重金属离子等有毒有害物质。大量的研究结果表明，利用光催化技术不但可以使这些污染物中的 有机化合物 彻底地降解为 无机盐 和 二氧化碳 ，而且能还原消除重金属离子。 光催化降解技术具有常温常压下就可进行，能彻底破坏有机物，没有二次污染且费用不太高的优点。汽车、摩托车尾气及工业废气等都会向空气中排放氮氧化合物等 有毒气体 ，利用光催化剂的高氧化活性和空气中氧可直接实现氮氧化合物光催化氧化，消除对人体的危害。
建筑材料
在陶瓷的釉水中加光催化剂，可在低温釉烧温度下烧成在 可见光 下即有高光催化活性的 陶瓷内墙砖 、卫生洁具等，具有抗菌、防污、自洁、除臭等功能。在普通的涂料中加入光催化剂，喷涂后形成附着于其他材料表面的 膜层 ，具有较好的光催化作用，可以杀灭环境中的细菌，分解有害的气体和油污。光催化剂还可以应用在玻璃、水泥和混凝土、金属板材、 墙纸 、 塑料门窗 等方面，具有自洁、抗菌、除臭、防污、防雾等功能，在建材工业中得到广泛的应用。
安全事宜
二氧化钛 光触媒能广泛用于食品、药品和化妆品，通常认为安全无毒，无刺激。 二氧化钛 不吸收，不积累，无致癌性。LD 50 （ 小鼠 ，口服）≥1.29 g/kg。WHO未限定每日允许最大摄入量。 美国食品药品监督管理局 （ F.D.A ）认可，准许在 口香糖 、巧克力等食品中添加。
适用于光催化的半导体 氧化锌 材料的LDLo（人，口服）为500 mg/kg，TCLo（人，吸入）为600 mg/m 3 ，LD 50 （鼠，腹腔）为240 mg/kg，LD（鼠，口服）>8437 mg/kg，LD（鼠，吸入）>4979 ug/kg。
硫化镉 也是一种具有高光电导性能的材料，但它的毒性较大， 其公布的最低中毒剂量（大鼠，肌内）为120 mg/kg，最低中毒剂量（大鼠，皮下）为135 mg/kg。
光催化剂易光致表面腐蚀，其光生 电子 和光生 空穴 在表面区域扩散并在表面或次表面位被捕获，如果被捕获的电荷 载流子 不能通过 氧化还原反应 迅速消除，就会半导体表面层发生不可逆的化学变化。研究表明光照后，在TiO 2 和 ZnO 的体相及表面均可产生缺陷。例如，与溶液接触的TiO 2 电极 经过UV重复照射后会变黑，在长时间的光照下金属 硫化物 易发生电极腐蚀等。