能带理论可以用来解释半导体的光催化过程。众所周知，其能带结构由两部分组成，一部分是充满电子的价带，另一部分是指其高能导带。而半导体的带隙指的就是价带和导带之间的区域。在正常情况下，要使价带上所拥有的一些电子受到激发从而使其基本跃迁到半导体的导带上，只有半导体的价带吸收的光子能量等于或大于其带隙能才能完成。这样以后，半导体的导带上就具有了跃迁上来的电子，而价带上同时会生成一个跃迁电子相对应的空穴。电子和其相对应的空穴，通过半导体内部电场的作用能够迁移到半导体催化剂的表面并同时发生电子-空穴的分离。再通过和处于半导体材料表面的有机污染物发生化学反应，从而氧化有机污染物，以此达到治理环境污染的功效。

1.2研究目的与内容

光催化在今天已经发展成为化学的一支重要的研究方向。随着研究的不断深入，科学家们发现有绝大多数的半导体材料都具有较高或较低的光催化活性，且越来越多的科学家通过在光催化方面持续的科学研究，对半导体材料的这种属性也有了更深的认识，他们发现近千种污染物都可用此种催化方法分解，因此，这项研究在人类目前生活中主要面对的污染的治理中表现出了十分光明的应用前景。在国外的相关研究成果中，一些研究团队开发了用于污染控制的光催化产品，包括净水器、空气净化器和室内清洁材料、食品和花保鲜膜、自清洁和防雾玻璃等[3]。在这些产品的研发与使用中我们可以看出这项光催化技术蕴含的巨大社会效益和经济效益。

1.3半导体光催化原理

半导体光催化材料大部分都是n型半导体材料。要想透彻地理解光催化的原理和过程，首先需要了解的是半导体自身的能带是如何构成的。其能带结构通常是由三部分组成；第一个部分就是填满电子的低能价带，第二个部分处于价带之上，被称为导带，最后一部分处于导带和价带之间，此区域被称为禁带。其结构如下图1-1所示：

光催化原理是基于光催化剂在紫外线照射下具有的氧化还原能力，从而净化有机污染物。半导体材料本身的吸光度阈值小于光子能量，在半导体材料上面照射时，处于价带上的电子会受到激发影响。这也就是说,价带上的电子会从价带跃迁到半导体的导带上。然后在价带上就将生成一个与电子相对应的空穴。此时，吸附在催化剂表面的有机污染物会捕获电子，然后经过还原反应形成超氧阴离子。这意味着过渡电子可以催化氧化的表面。当空穴移到半导体的表面后，其表面的羟基离子和水被光产生的空穴吸附，发生氧化反应形成羟基自由基。同样地，空穴也可以催化氧化的表面。光催化原理如图1-2所示：

在满足特定条件的情况下，处于半导体价带上的空穴，其表面的氢氧根离子和水分子可以进一步被氧化，从而产生更多的催化活性和更强的羟自由基。在以上这些条件下，半导体材料就可以直接用于降解处理并氧化有机污染物所造成的环境问题。并且在一些特定的条件下，光生空穴可以氧化分布在半导体材料表面的有机污染物，同时还能分解吸附在其表面的污染物。也就是说，在这种情况下，光产生的空穴可以直接成为添加到光催化降解反应中一小的部分。另外，空穴具有很强的氧化性，容易氧化在半导体表面产生的氢氧化钠，并且可以更有效地氧化分解有机污染物。同时，直接将吸附在半导体上的电子也可以被光生空穴氧化分解成二氧化碳、水分子等物质，由此可以达到降解环境污染的目的。由此可见，价带上的空穴在绝大多数半导体材料的降解中起到了主导性的作用。然而，在整个光催化降解过程中，不是所有的电子和空穴都能百分百和有机污染物或其他反应物质发生氧化还原反应，还有一些些电子和空穴在这个化学反应过程中会产生复合。