光催化是指在光的作用下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。光化學(xué)反應(yīng)需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激產(chǎn)生分子激發(fā)態(tài)，繼而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)或變成引發(fā)熱反應(yīng)的中間化學(xué)產(chǎn)物。光催化劑是指在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。它利用光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)反應(yīng)所需的能量，產(chǎn)生催化作用，使周圍的氧氣及水分子激發(fā)成很具氧化力的自由基或負(fù)離子。

光催化氧化分為均相光催化氧化和非均相光催化氧化。均相光催化氧化主要為UV/Fenton試劑法。Fenton試劑為Fe2+和H2O2的組合，其氧化機(jī)理為Fe2++H2O2→˙OH+OH-+Fe3+Fe3++H2O2→Fe2++˙HO2+H+，因此Fenton試劑在水處理中具有氧化和混凝兩種作用，在黑暗中就能降解有機(jī)物，節(jié)省了設(shè)備投資，然而H2O2利用率不高，不能充分礦化有機(jī)物。當(dāng)有光輻射(如紫外光)時(shí)，F(xiàn)enton試劑氧化性顯著提高。UV/Fenton法也叫光助Fenton法，是普通Fenton法與UV/H2O2兩種系統(tǒng)的復(fù)合產(chǎn)物，降低Fe2+用量的同時(shí)保持H2O2較高的利用率，而UV和Fe2+對H2O2的催化分解存在協(xié)同效應(yīng)，˙OH的生成速率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)Fenton法和紫外催化分解H2O2速率的簡單加和。因此UV/Fenton試劑法在處理難降解有機(jī)污染物時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，很有應(yīng)用前景。

非均相光催化氧化技術(shù)主要為TiO2光催化氧化技術(shù)。自從日本學(xué)者Fujishima和Honda于1972年在半導(dǎo)體TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水的光催化分解作用，開辟了半導(dǎo)體光催化這一新領(lǐng)域。1977年，Yokota等發(fā)現(xiàn)TiO2在光照條件下對丙烯環(huán)氧化具有光催化活性，從而拓寬了光催化的應(yīng)用范圍，為有機(jī)物氧化反應(yīng)提供了一條新的思路。此后世界范圍內(nèi)便開始了光催化氧化技術(shù)在污水處理、空氣凈化、抗菌殺毒、有機(jī)合成等方面的應(yīng)用研究，半導(dǎo)體光催化技術(shù)受到全世界的廣泛關(guān)注，并獲得了快速發(fā)展，成為國際上做活躍的研究領(lǐng)域。

不同類型有機(jī)物的光催化降解

半導(dǎo)體光催化劑大多是n型半導(dǎo)體材料(當(dāng)前以TiO2使用很廣泛)，具有區(qū)別于金屬或絕緣物質(zhì)的特別的能帶結(jié)構(gòu)，即在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶。由于半導(dǎo)體的光吸收閾值與帶隙具有公式K=1240/Eg(eV)的關(guān)系，因此常用的寬帶隙半導(dǎo)體的吸收波長閾值大都在紫外區(qū)域。在光照下，如果光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，其價(jià)帶上的電子(e-)就會(huì)被激發(fā)到導(dǎo)帶上，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生空穴(h+)。當(dāng)存在合適的俘獲劑、表面缺陷或者其他因素時(shí)，電子和空穴的復(fù)合得以抑制，就會(huì)在催化劑表面發(fā)生氧化—還原反應(yīng)。價(jià)帶空穴是良好的氧化劑，導(dǎo)帶電子是良好的還原劑，在半導(dǎo)體光催化反應(yīng)中，一般與表面吸附的H2O、O2反應(yīng)生成˙OH和超氧離子O2-，能夠把各種有機(jī)物直接氧化成CO2、H2O等無機(jī)小分子，電子也具有強(qiáng)還原性，可以還原吸附在其表面的物質(zhì)。激發(fā)態(tài)的導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴能重新合并，并產(chǎn)生熱能或其他形式散發(fā)掉。