文 /張金龍 吳仕群 朱喬虹

在牆面上塗抹光催化材料，室內的有機汙染物就能在光照下被分解；向汙水中新增光催化材料，水中的汙染物也會被分解成無毒無害的物質；噴塗在幕牆玻璃上的光催化材料可以發揮自清潔作用，讓有著“水泥森林”之稱的城市建築成為真正的綠色建築……

光催化材料的神奇之處還不止於此。它還能透過吸收太陽光催化氧化還原反應，從而將太陽能轉化為化學能。

十多年來，我們圍繞著拓展光催化材料的可見光利用範圍和提高光催化量子產率這兩個關鍵科學問題，開展了大量研究工作。2017年，我們的“高效光催化材料的製備及其機理研究”專案獲得上海市科學技術獎一等獎。

光的作用

1972 年，英國的《自然》（Nature ）雜誌發表了一篇論文，論文中提出了一種利用二氧化鈦電極光解水，從而產生氫氣和氧氣的方法。可以說，正是這篇論文開創了光催化這一新的研究領域，讓以二氧化鈦為代表的光催化材料成為化學界的“寵兒”。

二氧化鈦為什麼能催化水的光解反應？這要從它的結構說起。

二氧化鈦是一種半導體，它的能級結構由能量較低的價帶和能量較高的導帶組成，價帶和導帶之間的能量差稱為帶隙能量。至於什麼是價帶、什麼是導帶，我們可以打個比方來幫助理解。價帶好比河流的下游，導帶好比河流的上游，而電子就好比河流裡的小船。當沒有外加能量時，由於水流的作用，小船都聚集在下游，即當半導體材料處於基態時，電子全部分佈在價帶上。當小船外加足夠的能量開動起來，逆流而上，也能行駛到河流的上游。類似地，當半導體材料受到足夠能量的激發，電子就能從價帶躍遷到導帶上，所需要的這部分能量就是帶隙能量。

以光為媒，催生綠色未來

如果有光照射到二氧化鈦材料上，且光的能量大於或等於帶隙能量，那麼價帶上的一部分電子就會被激發，躍遷到導帶上，在導帶上自由流動； 而電子“跳”到導帶上以後，價帶上就留下了一個個空位。 這個過程如果用專業的說法來描述，就是光催化材料受光激發，產生了光生電子和空穴。

接下來，電子和空穴會來到催化劑表面的不同位置。空穴迫切地想要得到電子（也就是具有很強的氧化能力），因此可以將水分子氧化成氧氣，而電子則參與析氫反應。這就是二氧化鈦能夠在光照條件下使水分解的原因。

事實上，二氧化鈦等光催化材料的應用主要集中在能源領域和環境領域，都利用了其能夠受光激發產生電子和空穴的性質。前者是指透過光催化劑引發一系列氧化還原反應，從而將太陽能轉化成化學能，例如前面提到的分解水制氫氣，還有二氧化碳的催化還原等；後者的基本原理是讓光催化材料產生強氧化能力的活性氧物種，從而將水體或空氣中的汙染物氧化分解。

大有可為的光催化材料

《自然》雜誌的那篇論文讓人們看到了光催化材料在水解制氫領域的獨特潛力，這一結果讓人們大受鼓舞。因為如果這項技術能實現大規模工業應用，就意味著可以將太陽能轉化為化學能，能源匱乏的問題也將迎刃而解。但遺憾的是，水的光解反應非常困難，人們一時間並沒有實現進一步的突破。不久以後，在20 世紀70 年代末，人們發現在光催化劑的作用下，水體中的汙染物可以被無選擇性地分解掉，於是開展了光催化技術用於環境領域的一些研究。

光催化材料之所以能處理汙水，同樣得益於它受光激發後產生的電子與空穴。空穴遷移到催化劑表面之後，會將吸附在催化劑表面的水分子氧化為羥基自由基（OH·）。羥基自由基的氧化能力非常強，能把絕大多數有機汙染物分子和部分無機汙染物分子都氧化為二氧化碳、水等無毒無害的物質。

按照類似的機理，光催化材料還可以分解空氣中的汙染物，起到淨化空氣的作用。例如，有的空氣清淨機就利用了光催化技術，“玄機”就在於過濾層上的光催化材料；將光催化材料塗覆在高速公路的隔音牆上，可以分解汽車尾氣。光催化材料還可用於殺菌消毒。它被塗抹在器皿或其他物體表面之後，不僅能殺滅細菌，還能將細菌分解——跟現在殺菌液主要採用的奈米銀相比，這是光催化材料獨有的優勢。在新冠肺炎疫情期間，基於光催化材料的殺菌液也應運而生，並且取得了一定的應用。

光催化劑具有巨大的應用潛力，像制烯烴、合成氨這些化學工業中極其重要的反應，今後都有可能使用光催化材料作為催化劑。如果能以此大規模地將太陽能轉化成化學能，無疑將是一場徹底的變革。

（原載於《科學畫報》2021年第5期，本文受到上海科委2019年度“科技創新行動計劃”科普領域專案資助。專案名稱：“立足科創中心，傳播尖端科技——打造上海重大獲獎科技成果科普化融媒體專欄”；專案編號：19DZ2332600。）