经过几十年的研究，对于半导体光催化机理的认识已经比较深入透彻，并且由催化机理推导出的一些结论也经受了实践的验证。到现在为止，通过合成具有合适价带结构半导体以及半导体异质结等复合材料已经取得巨大进展，这些材料可以大致归类为（1）硫化物，例如SnS2；（2）氮化物，例如g-C3N4[3]；（3）简单氧化物，例如 WO3，Bi2O3[4]，TiO2[5]等；（4）复杂氧化物，例如BiVO4[6]。

尽管目前半导体光催化技术已经取得了巨大的研究进展，但是到目前为止远没有达到理想的状况，对于光催化材料的实际使用仍然缺乏关键性的革新。总的来说光催化领域面临三个主要的问题：一是通常对于窄带隙半导体而言光催化量子效率低。光激发的电子从VB的顶部跃迁到CB的底部，同时在VB中留下带正电的空穴，电子和空穴在表面与水污染物反应之前将迅速复合，以热的形式释放输入能量（光），较高的空穴和电子的重新结合率使得催化活性得到限制；二是大多数半导体材料通常受到在可见光范围内光催化效率低的限制。例如：1972年，科学家首次发现在二氧化钛电极上照射紫外光，可以光催化分解水产生氢气[7]。但因为二氧化钛的能带结构，使得其只能吸收波长在400 nm以下的光能，因此只有在紫外光照射下才能高效的利用光能分解水。紫外光仅占到达地球表面的太阳辐射的4％，为了尽可能的吸收波长在400 nm以上的可见光，因此大部分研究集中在制造具有较窄带隙的对可见光吸收效率更高的光催化剂。三是通常对于催化效率比较高的催化剂来说通常稳定性一般比较低，因此在实际应用过程中受到限制。因此制备出高效稳定的可见光响应性催化剂半导体仍然面临巨大的挑战。

1.1.2  光催化反应基本过程

图1.1  详细描述了光催化反应过程。当光子通过固体时，与固体中存在的电 子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用，当一个光子所具有的能量足够使得跨越禁带宽度EBG时，位于固体的价带（VB）中的电子可以吸收入射的光子的能量。吸收光子能量的电子从VB的顶部跃迁至CB的底部，同时在VB中留下带正电的空穴， 电荷的这种运动自然产生近似等于半导体带隙的光电压。但是由于库伦作用电电子会和空穴相互联系在一起，形成电子-空穴对。此时光生电子-空穴对进行迁移，在迁移进行的同时电子-空穴对会因为扩散作用或在外场作用下，克服相互间的库仑作用力而达到分开，同时吸收光能而产生的电子和空穴可能会因为复合并释放能量ERR，而这种是能量的释放不利于光催化反应的进行。最后，运动到固体表面的空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性，用于可以与污染物发生氧化还原反应。

图1.1  光催化反应过程[8]

半导体可以作为合适的光催化剂,不仅需要具有对光子的强烈吸收能力，而且还需要合适的氧化还原电势。因此可以说半导体价带顶（VBM）对应的电极电势则决定了材料的氧化能力，导带底（CBM）对应的电极电势则决定了材料的还原能力，而半导体带隙的宽度决定了半导体能够在何种波段的光波产生响应。

1.2 Ag3PO4半导体光催化剂

1.2.1  Ag3PO4的结构与性质

（1）  Ag3PO4的晶体结构

图 1.2 为 Ag3PO4的四面体复合结构模型和球棍模型。Ag3PO4的晶体结构属于立方晶系，为以独立的PO4基体构成的体心立方结构（bcc），6个Ag+则分布在 12 个间隙中双重对称的 6 个位置，Ag3PO4的晶格常数约为6.004Å。由于 PO43+带有大量负电荷从而可以吸引空穴排斥电子，这一特征有利于光生载流子发生分离，因此使得Ag3PO4具有强光催化氧化能力。此外，由上图可以看出AgO4四面体中顶角位置的氧原子和PO4四面体结合，由于 PO4四面体较大的偶极距可诱导的变形，使AgO4四面体也具有极性，进一步有利于光致电子与空穴的有效分离。图 1.2 Ag3PO4四面体结构模型和晶格结构的球棍模型[9]