光电催化

通过选择半导体光电极材料和改变电极的表面状态来加速光电化学反应的作用

光电催化指的是通过选择半导体光电极（或粉末）材料和（或）改变电极的表面状态（表面处理或表面修饰催化剂）来加速光电化学反应的作用。

概念解释

光电化学反应是指光辐照与电解液接触的半导体表面所产生的光生电子－空穴对被半导体/电解液结的电场所分离后与溶液中离子进行的氧化还原反应。光电催化是一种特殊的多相催化。最有意义的光电催化是转换太阳能为化学能的贮能反应，如铂/钛酸锶或铂/钽酸钾催化太阳光分解水,产生氢和氧。

科学原理

半导体光电极在将光能转换为化学能的光电化学电池中，用半导体材料作光电极，起光吸收和光催化作用。n型半导体构成光阳极,只催化氧化反应;p型半导体构成光阴极，只催化还原反应。但半导体表面一般不具有良好的反应活性，电极反应往往需较高的过电位。经过适当的表面处理(如热处理、化学刻蚀和机械研磨等)来改变电极的表面状态（如价态分布、晶格缺陷、晶粒粒度、比表面和表面态分布等），可以大大改善其催化活性。

表面修饰的半导体光电极单纯半导体光电极一般催化活性不高，采用表面修饰方法（如沉积法、强吸附法、共价法和聚合成膜法等）将具有某些功能的物质(金属、半导体、化学基团和聚合物)附着于电极表面,使它成为表面修饰电极，就能改善和扩大电极功能。当具有催化活性的物质以高分散的岛状分布修饰在半导体电极表面并形成透光的肖特基接触时，就可能改变反应势垒，提高反应速率。例如，在半导体二氧化钛光阳极表面修饰上铂或钯，可大大提高乙醇水溶液光电催化氧化同时放氢的速率。

实际应用

太阳能利用中的光电催化问题目标是提高太阳能转换成化学能的光能转换效率，以期取得应用价值。除了光电催化水分解以制取氢燃料外，光电催化固氮成氨，固二氧化碳成有机物，光电合成化学药品和材料以及利用光电催化变废为利、保护环境等，都是有理论和实践意义的太阳光电催化的课题。

存在问题

普遍存在的问题是：光能转换效率低,大多在1%～3%甚至更小;催化剂活性不够高；催化剂选择性不够好，大多是系列产物分布；催化剂寿命不够长，连续使用期仅数月或数年。

新近系统

机理

新的系统由金电极组成，金电极采用磷化铟(InP)纳米颗粒层包复。然后，研究人员在层状排布上引入铁-硫络合物[Fe2S2(CO)6]。当浸没在水中，并在相当小的电流条件下用太阳光照射时，该光电催化系统就可产出氢气，效率为60%。

东Anglia大学研究人员给出了反应的以下机理：到达的光粒子被InP纳米结晶所吸收，在InP上激发出电子。在这一激发状态，电子可被转移到铁-硫络合物中。

在催化反应中，铁-硫络合物然后通过这些电子，使之成为包绕水中的氢离子(H+)。金电极不断地向InP纳米结晶供应必要的电子。

优点

与现有的过程不同，新系统工作无需采用有机分子。现有过程必须被转换成激发态才能参与反应，反应也会随时间而降级。这一问题限制了使用有机组分的系统寿命。而新系统纯粹为无机物质，可使用很长时间。

新开发的光催化电极系统坚固耐用、高效、廉价，且无有毒的重金属。它可成为工业化生产氢气十分有前途的替代方案。