01 什么是光和光源

光是一个物理学名词，其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光，是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以波的形式释放能量。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就不动了。否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量。

在物理学中，光源指能发出一定波长范围的电磁波（包括可见光与紫外线、红外线、X射线等不可见光）的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体本身能发光者，称做光源，又称发光体。例如：太阳、恒星、灯，以及燃烧着的物质等都是正在自行发光的光源。

02 光源分类

热效应

第一类是热效应产生的光。太阳光就是很好的例子，此外蜡烛等物品也都一样，此类光随着温度的变化会改变颜色。

原子跃迁

第二类原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。此外霓虹灯的原理也是一样。原子发光具有独自的特征谱线。科学家经常利用这个原理鉴别元素种类。

辐射发光

第三类是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光。如，同步加速器（synchrotron）工作时发出的同步辐射光，同时携带有强大的能量。另外，原子炉（核反应堆）发出的淡蓝色微光（切伦科夫辐射）也属于这种。所谓的“切伦科夫辐射”，就是指带电粒子在介质中的速度可能超过介质中的光速，在这种情况下会发生辐射，类似于“音爆”。

03 光的能量与波长

光化学反应是 从 反 应 物 吸 收 光 子 开 始 的。光 化 学 第 一 定 律 指出，只有被分子 （原子、离子）吸收的光才能诱发体系发生化学变化。当分子吸收光子被激发到具有足以破坏最弱化学键的高能激发态时，才能引起化学反应。因此，光化学反应需要有一定能量的光子来诱发。光是电磁辐射，可以用λ （波长）、ν （频率）、Ｅ （光子能量）、ｃ （光速）来表示其特征。

一个光子的能量 （Ｅ）可表示为： Ｅ＝ｈν＝ｈｃ／λ

04 什么是光催化

一般来说，催化分为均相催化、多相催化和酶催化。作为多相催化的一个分支，光催化是利用光能进行物质转化的一种方式，是物质在光和催化剂共同作用下所进行的化学反应。

同时，光催化是催化化学、光化学、半导体物理、材料科学、环境科学等多学科交叉的新兴研究领域。

光催化原理如下图所示：

05 光催化材料有哪些

常见的光催化材料有硫化物型光催化材料、金属氧化物光催化材料、氮化碳基光催化材料、铋基光催化材料和其它光催化材料。

·  最常见的硫化物光催化剂是CdS、ZnS及ZnxCd1-xS固溶体等。

·   常见的半导体氧化物催化剂材料有TiO2、WO3、Ga2O3、CuO等。

·   有机聚合物石墨相氮化碳（g-C3N4）具备优异的光催化性能。

·   铋的相对原子质量较大，是一种化学性质稳定且具有较高光催化活性的金属。

·   此外，像金属有机框架材料（MOFs）、共轭微孔聚合物（CMPs）、共价有机框架（COFs）在光催化领域也有所运用。

06 光催化剂 TiO2

作为光催化剂 TiO2 具有以下4个优点。

1. 合 适 的 半 导 体 禁 带 宽 度 (3.0eV 左 右 )， 可 以 用 385nm 以 下的光源激发活化，通过改性有望直接利用太阳能来驱动光催化反应。

2. 光催化效率高，导带上的电子和价带上的空穴具有很强的 氧化还原能力，可分解大部分有机污染物。

3. 化学稳定性好，具有很强的抗光腐蚀性。

4. 价格便宜，无毒而且原料易得。

虽然，也有一些半导体材料如 SrTiO3 与 TiO2 具有同样的光催化性能和稳定性。但是，由于它们的吸收带隙均大于3.2eV，不 利于可见光的直接吸收利用，故没有成为实用的光催化剂。

07 光催化研究方向有哪些？

水分解

传统的化石能源储量有限，且燃烧后悔造成温室效应和环境污染，如何制造清洁可再生能源是研究热点。利用光催化将水分解为H2和O2，用氢能源取代化石能源，生态环保、成本低。但目前产氢效率还比较低，距离实际工业化应用还有很长的路要走。

CO2还原

随着大气中CO2浓度不断增加，温室效应越发明显，极端气候频发，如何降低大气中CO2含量是亟待解决的重大问题。利用光催化技术，将CO2还原为甲烷、甲醇、甲酸等有机化合物，具有很高的应用价值。

水污染治理

随着工业化和现代化的不断发展，环境污染问题日趋严重，水污染是其中重中之重。相比传统水污染治理方法，光催化法绿色环保、无二次污染。除了常见的各种染料，如亚甲基蓝（MB）、罗丹明、甲基橙（MO）等，其它无色的污染物，比如苯酚、双酚A（BPA），或者各种抗生素农药等都可以降解掉。此外，光催化还可以将水体中的有毒重金属离子，如Cr6+、Pt4+、Au3+ 等还原为低价离子，减弱其毒性。

光催化固氮

在现代社会中，氨（NH3）作为一种化学物质，不仅在制造化肥等各种化学药品方面必不可少，同时，它还是一种重要的清洁能源和染料。在常温常压下，便可以通过太阳能将N2转变成氨气并且无污染且条件温和，但是太阳能利用率低，光催化固氮提供了一种新的方法来提高N2固定的光催化效率。

光催化有机合成反应

有机化学品能够制造生活中很多所必需的用品，在衣食住行各个方面都离不开它们。

传统的有机合成路线和生产工艺已在大多数化工领域广泛应用。发展以光为能源，在较温和的反应条件下驱动化学反应的光催化合成路线是非常可取的。

文章来源：网络，整理： 陕西毅杰

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