1.1.1光催化技术原理

半导体的能带结构区别于绝缘物质和金属，它由填满电子的低能价带（valenceband,VB）和无电子的高能导带（conductionband,CB）构成，而低能价带和高能导带之间的能带不能填充电子，我们称之为禁带（ForbiddenBand,BandGap）[3]。而常用的半导体光催化剂均为金属氧化物与金属硫化物之类的n型半导体材料，所以这类半导体带隙较宽，其吸收波长阈值大都在紫外区域。当被能量等于或大于其禁带宽度(Eg)的光照射时，材料价带上的电子(e-)被激发跃迁到导带，同时在价带产生相应的空穴(h+)，这样就在半导体内部生成光生电子-空穴对。光生空穴(h+)具有很强的氧化性，可夺取其表面吸附物质或溶剂的电子，使原本不吸收光的物质被氧化；而导带电子(e-)则是一种还原剂，可对表面吸附物质进行还原。以光催化降解有机污染物为例，光生电子电子能够还原催化剂表面的O2，形成超氧负离子•O2-和过氧自由基•OOH-空穴则会吸附水体中的的H2O和OH-，夺取电子，将其氧化生成羟基自由基•OH。超氧负离子，过氧自由基和羟基自由基均具有很强氧化性，可以把将光催化剂表面吸附的的有机物氧化分解成无毒无害CO2和H2O。而要保证物质在半导体表面上发生氧化还原反应，就要保证光生电子-空穴对能够生成并在迁移到表面与目标物发生作用前存活。

利用光催化技术，不仅能将水和空气中的有机污染降解消除，还可以通过太阳光把水分解制备成氢气，储存为目前最清洁、最理想的能源—氢能，这为解决环境污染和能源危机等难题提供了一条全新的途径。

图1.1光催化原理图

1.1.2光催化剂活性影响因素

通过对半导体光催化机理的分析可知，光催化剂是光催化技术的核心，其能带结构和形貌在很大程度上决定了其光催化性能。首先，半导体光催化材料需要有适当的禁带宽度，这样才能对太阳光中占多数的可见光产生响应，从而充分利用太阳能实现光催化的目的。而催化剂的晶体结构、裸露面、晶体缺陷、表面的反应活性位点等多种因素都会影响光生电子和空穴分离情况和电子转移。

1. 半导体的能带位置

半导体的禁带宽度很大程度上影响了光催化剂的吸光能力。一般而言，半导体价带电势越正，则对应的光生空穴的氧化能力会越强，而导带电势越负，则对应的电子的还原能力越强。价带或导带的离域性好，光生电子和空穴分离程度高，载流子迁移速度快，将有利于氧化还原反应的发生。将光催化剂用于分解水制氢时，产生H2的条件是材料的导带底位置必须比H+/H2O(-0.41eV)的氧化还原势负，产生O2的必要条件是价带的必须比O2/H2O(+0.82eV)的氧化还原势正[4]。因此，只有合适的能带位置才能保证水的光催化分解。考虑到超电压的存在，半导体禁带宽度Eg的理论数值应大于1.8eV。最近研究的多为宽带隙的半导体催化材料，其电子-空穴对具有较强的氧化还原能力[7]。

2. 催化剂形貌

反应体系中电子-空穴对的浓度会随着半导体光催化剂形貌的改变而显著改变。在催化剂大小相近的情况下，不同形貌催化剂的催化性能的差异明显大。不同实验条件下，可控合成不同形貌的光催化剂，以提高活性和选择性，是目前光催化剂改性领域的一个热点。

3. 催化剂晶型

以经典的TiO2光催化剂为例，分别有，锐钛矿型(Anatase)，板钛矿(Brookite)和金红石型(Rutile)三种不同晶型，实验表明，除了板钛矿型结构不稳定之外，锐钛矿型二氧化钛比金红石型二氧化钛的光催化能力更强[8].与此类似，其他典型光催化剂的不同晶型，其光催化能力也有比较大的差别。