文 献 综 述

一、 课题研究的背景和意义

目前，环境污染和能源枯竭日益成为人们关心的一个重要问题，太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源, 为了有效的解决这些问题，人类正致力开发高效的光催化剂, 以实现对太阳能的高效的转化和利用。特别是在20世纪70年代，能源短缺引起了人们的重视，近年来光催化氧化技术引起了材料学、化学和环境科学与工程学界的广泛重视，并且对其开展了大量的研究。

随着研究人员发现了二氧化钛能够分解水制氢，这种能将光能转化为化学能的异相光催化受到了人们的广泛关注。作为解决世界性能源短缺和环境问题的一种有效方式，半导体光催化技术引起研究者们的极大的兴趣。半导体光催化技术的发展将会对技术环境污染和能源枯竭问题的解决具有重要意义。近年来，石墨型氮化碳（g-C₃N₄）得到了人们广泛的关注，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）作为一种不含金属组分的半导体光催化材料，其优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，被视作一种廉价稳定的可见光光催化剂，广泛应用于太阳能的光催化转化中。但是将g-C₃N₄直接用作光催化剂还存在一些问题，如比表面积较小、光生电子空穴对复合严重等缺点。通过将g-C₃N₄与TiO₂-x的复合既能够克服各自在光催化领域中得缺点，构筑异质结结构，促进光生电子空穴对的分离，进而提高其光催化性能又能使光催化效率进一步的提高。随着光催化技术的不断地深入发展，并且光催化正在逐渐成为一个独立的研究领域，并且在清洁能源制备、环境污水处理、空气净化、太阳能电池等众多方面展现出广阔的应用前景和重大的社会经济效益。对改善我国面临的严峻的环境形势和提高经济效益有着关键的作用，同时对我国经济的长期稳定的发展也具有十分重要的意义。

二、 半导体光催化原理

2.1 光催化技术的概念

光催化通过利用自然界存在的绿色”能量”来进行反应的一种方法。其原理是化学物质吸收了一定的能量之后，使得物质本身产生出了超氧自由基，这是一种极具氧化能力的物质，可以将有害物质彻底无害化，而且不存在任何污染。最具代表性的例子为植物的”光合作用”，吸收二氧化碳，利用光能转化为氧气及其他有机物。

2.2 半导体光催化原理

半导体材料是指导电能力介于金属和绝缘体之间，电阻率约在1ｍΩ.cm-1GΩ.cm范围内的一类固体材料。与金属材料相比，半导体材料的能带是不连续的。半导体光催化反应是在光和光催化剂同时作用下将太阳光能转化成化学能,引发或加速特定的氧化或还原反应。半导体光催化原理以固体能带理论为基础。据能带理论 ,半导体的能带是不连续的，由价带 (Valence Band，VB ) 和导带 ( ConduetionBand，CB)构成。从价带顶端 (VB Top，VBP )到导带底端价带 (CB Top，CBP)的区域称为带隙。半导体催化剂在可见光或紫外光的照射下，吸收大于或等于其带隙能的光子后半导体价带上的电子（e^-）快速跃迁到导带，从而在半导体的价带上留下对应的空穴（h ）即产生电子-空穴对。电子和空穴迁移到粒子表面后，与表面吸附的水或者有机物发生氧化还原反应。光生电子和空穴的初始状态是分离的，但光生电子和空穴对相互接近，并通过静电力相互作用，发生复合。电子和空穴可通过体相复合或表面复合途径湮灭，并将能量以热量或者光子方式释放。半导体受到光激发以后很快生成光生电子载流子，其速度远高于载流子的捕获和复合，因此能够保证足够数量的光生载流子转移到表面与表面吸附的物质发生的化学反应。

纳米TiO₂的光催化机理是以n型半导体的能带理论为基础，锐钛矿型TiO₂禁带宽度为3.2eV，其吸收带边位于387nm。因此当TiO₂半导体吸收波长小于或等于387nm的光子后，即当用能量等于或大于禁带宽度的光照射半导体时，TiO₂价带上的电子被激发跃迁到导带，形成导带电子（e^-）和价带空穴（h ）^[1]。产生的电子空穴对会在半导体内部或者迁移 到半导体表面后复合或者被表面晶格缺陷俘获，一部分电子空穴对迁移到TiO₂表面后与吸附在半导体催化剂表面上的物质发生氧化还原反应。