李偉

【摘 要】近年，單質(zhì)材料在光催化領(lǐng)域的應用受到了廣泛的關(guān)注，本文主要探究單質(zhì)材料的光催化機理及其在清潔能源領(lǐng)域和環(huán)境凈化領(lǐng)域的需求。最后對單質(zhì)材料在光催化領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)和機遇進行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】單質(zhì)；光催化；進展

0 前言

全球性的能源危機威脅著人類的生存與發(fā)展，發(fā)展新型可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源是必然趨勢。光催化產(chǎn)氫技術(shù)可以將太陽能轉(zhuǎn)化為化學能、電能和氫能等，作為太陽能的高效存儲化學燃料的方法，氫能也是很有前景、綠色環(huán)保的能源，這對于太陽能的大規(guī)模利用是至關(guān)重要的，因此近期關(guān)于光催化產(chǎn)氫研究得到了廣泛的關(guān)注。

自從1972年，發(fā)現(xiàn)TiO2作為光催化活性之后，光催化技術(shù)作為前沿方向被國內(nèi)外學者不斷拓展。為了最大程度的利用太陽光，研究者構(gòu)造了多元材料增強催化劑的可見光響應，如氧化物，硫化物，氮化物和磷酸鹽類，光催化材料朝著多元化合物的方向發(fā)展，由于多元化合物自身的制備過程繁瑣，成本較高，而單一組成的物質(zhì)就避免了這些多元化合物的缺點，但是關(guān)于單質(zhì)光催化材料的研究仍舊比較少，早期除了單質(zhì)硅的研究和應用比較廣以外，其余的單質(zhì)光催化材料幾乎是一片空白。近期發(fā)現(xiàn)S、P、Se等這類單質(zhì)材料具有不亞于化合物的光催化活性，其帶隙窄，可見光吸光率更強，在光催化領(lǐng)域有著極大的應用潛力。

1 無機非金屬光催化材料

無機非金屬材料有合適的能帶結(jié)構(gòu)，經(jīng)過光照激發(fā)之后，材料價帶上的電子從價帶躍遷到導帶，在價帶留下空穴，而后光生電子和光生空穴到達材料表面后引發(fā)一系列氧化還原反應。

2 硫-光催化材料

通常是利用硫化物作為光催化劑，元素硫作為單質(zhì)光電轉(zhuǎn)換材料直到近期才有相關(guān)研究。硫有合適的價帶和導帶，其光催化活性研究表明α-硫在紫外和可見光條件下可被光激發(fā)，價帶上被激發(fā)產(chǎn)生的空穴可氧化吸附在表面的羥基和水，從而產(chǎn)生羥基自由基。在硫的光電實驗中，可以觀察到硫在不同偏壓下，有明顯不同的光響應。硫在光照條件下可以將水分解為H2。通過電流-時間曲線證實經(jīng)過六小時光照之后的硫單質(zhì)依舊有活性，可以看出硫具有極好的光穩(wěn)定性。

但是硫晶體的親水性差，使其很難在溶液中分散，從而大大消弱了它的光催化產(chǎn)氫的活性。研究表明可通過石墨烯摻雜硫增加硫的親水性和吸附能力，復合之后其光催化活性有了大幅度提高。同時硫粉體因為親水性差，所以只能懸浮在溶液表面，有利于光催化劑在污染物降解中的回收再利用，可以降低材料的使用成本。

3 磷-光催化材料

單質(zhì)磷，存在多種形式的單質(zhì)，有多種同素異形體，紅磷和白磷是其中之一，其可作為摻雜物組分改變其他化合物的光催化活性。P摻雜TiO2的化合物有很好的光催化活性，是因為P的摻雜不僅能有效抑制TiO2體相生長和增加TiO2納米顆粒的表面積，而且P摻雜TiO2使得TiO2的帶隙有雜質(zhì)能級形成，表現(xiàn)為對可見光有更強的吸收。

但是研究表面紅磷其實自身也可以作為光催化劑。與白磷的高反應活性和劇毒性相比較，紅磷有良好的穩(wěn)定性，沸點為250 ℃，毒性很低。白磷在加熱或者紫外光照射下可以轉(zhuǎn)化成非結(jié)晶性紅磷。非晶紅磷在惰性氣氛下加熱可以轉(zhuǎn)化為紅磷晶體。紅磷禁帶寬度1.7 eV，在可見光具有較強的吸收，其吸收邊一直延伸到700 nm。非晶和晶體紅磷都有很好的析氫效果，紅磷晶體比非晶紅磷的析氫效果好。因為紅磷結(jié)晶之后，表面積增加，載流子復合中心減少，從而光催化活性加強。紅磷晶體水和甲醇的混合液相溶液中也能在光照下析氫效率更快，因為甲醇在整個催化過程中消耗了光生空穴，提高結(jié)晶紅磷的產(chǎn)氫效率。范德堡四探針法實驗結(jié)果證明紅磷是P型半導體。其光催化活性穩(wěn)定，有利于在光催化中進行長時間的應用。

紅磷雖然具有光催化活性，但是也存在光生電子和空穴的復合，通過與半導體材料的復合，可以得到性能好復合材料—P/YPO4。在可見光照射下，因為光生載流子的有效分離和P/YPO4化合物的分層結(jié)構(gòu)，其光催化析氫活性高出紅磷數(shù)倍。

4 硒-光催化材料

硒單質(zhì)是紅色或灰色粉末，帶灰色金屬光澤。并且單質(zhì)硒有許多獨一無二的物理化學特性，適于在光電子和物理化學上的應用，例如硒優(yōu)良的光電導性，所以時常被用于太陽能電池，固態(tài)光傳感器等。

非晶硒在室溫下的帶隙寬度為1.99eV，在退火溫度為200 ℃時，帶隙寬度變窄為1.83eV。單質(zhì)硒，對可見光和紫外光都有較強吸收，在光催化和光電轉(zhuǎn)換方面有很好的應用前景，但是之前單質(zhì)硒作為光催化和光電轉(zhuǎn)換材料的研究較少， 直至2008年才有相關(guān)研究表明單晶硒納米片具有快速光響應性和光敏性，低于40 ℃時，其光響應尤為明顯，顯著的光敏性?？梢詰糜诳焖俟忭憫獋鞲衅骱凸怆姵仡I(lǐng)域。直到2011年，才有關(guān)于單質(zhì)硒的光催化性質(zhì)的研究，將單晶硒的研究與光催化聯(lián)系起來，在降解甲基藍的試驗中，單質(zhì)硒納米棒經(jīng)過短暫光照之后，之后再在暗場環(huán)境下降解甲基藍，有很明顯的降解效果，是因為光照處理之后的單晶硒具有記憶效應，產(chǎn)生羥基自由基，并且單質(zhì)硒的納米棒結(jié)構(gòu)促進了物質(zhì)內(nèi)部電荷傳導，提高了載流子的利用率，有效抑制了電子空穴的復合。研究人員在室溫下通過簡單的化學還原的方法得到了單晶硒納米棒，硒與商用P25相對比也有優(yōu)異的光催化效果，在長時間的循環(huán)測試中，單質(zhì)硒納米棒保持很高的光催化活性，表明單質(zhì)硒能用于長時間的光催化過程。硒獨特的記憶效應和長時間的穩(wěn)定性，使其成為一種理想的單質(zhì)光催化材料。

5 小結(jié)

對于單質(zhì)元素光催化而言，在光催化產(chǎn)氫領(lǐng)域開辟出鮮有研究的催化材料類型，被認為是很有應用前景，因為單質(zhì)光催化材料有適合的能帶結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的光電穩(wěn)定性、光電轉(zhuǎn)換效率、光催化性能和穩(wěn)定性，依據(jù)基本元素的光催化體系能夠提供比復雜化合物體系光催化劑更簡潔和直接的材料選擇，也為光催化產(chǎn)氫材料提供更為多樣化的選擇，所以以S、P、Se等這類單質(zhì)材料為代表的單質(zhì)光催化產(chǎn)氫材料是很有應用前景的。

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[責任編輯：王偉平]