TiO2光催化动力学的机制研究

1）光催化技术

光催化的原理是利用光照能量激发TiO₂等半导体催化剂产生的电子和空穴，诱导和加速氧化-还原化学反应达到净化污染物、物质合成和转化等目的。光催化技术被认为是解决能源短缺与环境污染问题具前途的催化技术，可广泛应用于表面自清洁、空气和水净化系统、杀菌、防霉、食品保鲜、析氢、有机/无机物合成、和光电化学转换等领域。

2）TiO₂系光催化技术

在光催化技术中，半导体催化剂的研究至关重要。目前报道的催化剂主要有：ZnO、Bi₂O₃、WO₃、CdS、TiO₂等。其中TiO₂是最早发现的具有光催化活性的物质，并且具有清洁无毒、价格低廉、催化性能好、制备简易、环境友好、反应温和、稳定性好等优良特性，因而其在光催化领域占据长久的主导地位。

TiO₂的禁带宽度约为3.20eV，因此，其只对紫外光有吸收。单纯的TiO₂还具有电子-空穴复合效率高这一缺陷，这严重限制了TiO₂的进一步应用。为了解决这些问题，多年来人们使用了多种方法来改良光催化过程，比如：使用不同的掺杂方法，材料结构/维度/表面改性，用外部条件来控制TiO₂的形成和催化过程，使用染料敏化的可见光诱导方式等等^[1]。

3）TiO₂光催化动力学的机制研究

研究者在改良光催化过程的同时，也持续对半导体光催化的基本原理进行深入研究。例如，光催化中的电子是从半导体的价带到其导带的光激发而产生，并向O₂的电子转移，它可以激活有机分子与O₂之间的反应，因而在光催化有机氧化中发挥重要作用。因而，研究电子的形成，电子到O₂的转移，以及电子与反应物之间的动力学机制等对理解光催化机理和设计光催化材料具有重要意义 ^[2]。

利用光导，透射和反射技术进行光催化动力学研究的实验测量过程中，精确控制光照强度，温度，O₂浓度等参数非常重要。武汉重光在光、热、电、磁、气等多参数测试腔体的设计与制造方面拥有深厚的技术积累，可为光催化动力学实验提供稳定的光强、温度、电磁场和气氛控制，已帮助光催化领域的研究者实现了多种研究目标^[3],[4]。

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参考文献：

[1] K. Nakata, and A. Fujishima, “TiO₂ photocatalysis: Design and applications,” Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry Reviews, 13, 169-189 (2012).

[2] B. Liu, H. Wu, and I. P. Parkin, “New insights into the fundamental principle of semiconductor photocatalysis,” ACS omega, 5, 14847-14856 (2020).

[3] B. Liu, Z. Wu, and L. Li, “Kinetics analysis of the electron transfer from nano-TiO₂ to O₂ through on-line absorptions and theoretical modeling,” Journal of Applied Physics, 129, 165106(2021).

[4] Z. Wu, L. Li, X. Zhou, Zhao, X., and B. Liu, “Kinetics and energetic analysis of the slow dispersive electron transfer from nano-TiO₂ to O₂ by in situ diffusion reflectance and Laplace transform,” Physical Chemistry Chemical Physics, 23, 19901-19910 (2021).