光电催化基础知识之光电催化

光电催化是光催化与电催化的结合，可将两种技术的优点大化体现。

与光催化相比，光电催化反应中，光电极可利用太阳光照射产生光生电子，提高反应活性和催化效率。

与电催化相比，光电催化反应大大降低了外部能量的注入，可有效减少能源消耗和环境污染。

光电催化还可以将因能带结构的失配而不适用于光催化的催化剂，在适当的外加电压条件下适用于光电催化。

光电催化反应可根据反应物质和反应类型的不同，分为光电催化分解水制氢、光电催化降解、光电催化二氧化碳还原、光电催化氮还原合成氨等等。

光电催化反应过程是在有光照射作用下的电化学过程，是因吸收光使电子处于激发状态，产生电荷传递的过程。由于半导体材料存在禁带，价带电子与导带电子之间的相互作用很弱，受到光的激发以后，半导体的价带电子进入导带，并在价带留下空穴，引发光电化学反应。

图1. 三种常见的光电催化反应池 (a)光阳极光电催化反应池；(b)光阴极光电催化反应池；(c)串联光电催化反应池

光电催化是光催化与电催化的结合，可将两种技术的优点大化体现。

基于半导体材料的光电催化反应池主要包含四个部分：

1. 光电极：也称工作电极，是光电催化反应池中的核心部件，由用于捕获光能量的半导体材料构成。

一般情况下，将n型半导体薄膜/导电基底称为光阳极，p型半导体薄膜/导电基底称为光阴极。

常见的光电极制备方式是将光电极半导体材料附着于氧化铟锡（ITO）或掺氟氧化锡（FTO）等有着较低功函数的透明导电氧化物镀膜玻璃上，将光电极夹持在如图2（a）所示的电极夹具上使用。

2. 对电极：若只研究单一光阳极或光阴极时，需要引入对电极来充当另一半的半反应场所。对电极通常选用具有良好电荷传输性能和较低反应过电势的材料，一般为Pt电极，如图2（b）所示。

3. 参比电极：为确保施加在光电极上的电位准确稳定，通常会加装参比电极，将整个光电催化反应池构建成三电极体系。参比电极可选择Ag/AgCl电极、Hg/Hg2Cl2电极或Hg/HgO电极，如图2（c）所示。

4. 适当的电解质溶液：电解质溶液在光电催化反应反应池中起联通电路的作用，需要具有良好的离子电导率。

根据光电催化反应中光电极材料性质的不同，电解质溶液的pH值和构成电解质溶液的离子类型也不尽相同。

在选择电解质溶液时需要注意的是，要确保所选的电解质溶液不与所选用的参比电极发生反应。

电解质溶液可分为三种：

1）酸性电解质溶液：H2SO4溶液等；

2）中性电解质溶液：Na2SO4溶液、K2SO4溶液等；

3）碱性电解质溶液：NaOH溶液、KOH溶液等。

图2. (a)电极夹具；(b)Pt电极；(c)Hg/Hg2Cl2电极；(d)Ag/AgCl电极

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