光催化反应是指在太阳光的作用下诱导光催化材料让它产生氧化-还原反应的一种现象。它的原理如下图所示：

图1光催化反应原理

(1)太阳光激发产生电子-空穴对的过程：在光照的作用下，半导体吸收能量等于或大于禁带宽度的光子，价带电子跃迁到导带，同时在价带留下等量的空穴，从而产生电子-空穴对。(2)载流子迁移的过程：产生的电子-空穴对因为一些原因被束缚，当产生的载流子达到一定浓度时就会向半导体的表面迁移，在这个过程中电子-空穴对就可能会发生复合。(3)参与氧化还原反应：电子有非常强的还原能力，空穴有非常强的氧化能力，迁移到半导体表面的电子和空穴能够将附近的O2和H2O氧化或者还原成·O2和·OH等自由基，从而最终将水分解产生氢气或氧气，或将有机污染物物彻底分解成二氧化碳和水。

2. 影响光催化反应的一些关键因素

在光催化反应进行的过程中，影响光催化性能的关键归根结底就是看空穴和电子参与氧化还原反应的效率[2]。其中，半导体材料的结构对这一效率的影响主要有以下几个方面：禁带宽度和能带位置、光生电子和空穴的分离与捕获、晶体结构等。

2.1半导体的禁带宽度和能带位置

一方面，半导体的带隙宽度决定了它对太阳光吸收和利用的范围。对于宽禁带半导体来说只能吸收利用太阳光中的紫外光，而这部分光占太阳光的比例较低，所以宽禁带半导体对太阳能的利用率不是很高，从而影响了它的光催化效率。而窄禁带半导体，能吸收利用大部分的可见区域的光，对太阳光的吸收利用率较高，这就增加了光子的利用率，进而产生更多的电子-空穴对，从而增强了光催化效率。另一方面，半导体的价带和导带能级位置决定了光生电子和空穴的氧化还原能力，而这恰恰是是影响半导体光催化效率的核心因素，这是因为半导体的价带顶位置越正，就会使得空穴的氧化能力就越强，导带底位置越负，光生电子的还原能力也就越强[3]。