王燕，張綺彤，張彬，王宇

哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150000

1 氫氣生成

“這是哪里，你們是誰呀？”我站在一片黑乎乎的地上，撓了撓頭。

突然一束耀眼的光照了進來，然后我看到有一個長著圓腦袋的小朋友從一個孔穴中“噌”的一下冒出來，我竟被嚇得倒退了幾步。

“不要害怕啊，小朋友，剛才是我的好搭檔光子，他帶著自身的光能照進光催化劑里，我因為他的能量才能從光催化劑中被激發(fā)出來，一會兒就讓我?guī)憷^續(xù)參觀吧。”這個圓腦袋的小朋友激動地說道[1]。

這時地面竟然說話了：“小朋友，你好呀，這里是光催化制氫部落，1972年，F(xiàn)ujishima教授和Honda教授發(fā)現(xiàn)了水在二氧化鈦電極上可以光催化分解為氫和氧，這標(biāo)志著多相光催化時代的開始，也使光催化制氫部落發(fā)展了起來。我們因為有獨特的電子結(jié)構(gòu)而被廣泛地應(yīng)用于光催化領(lǐng)域，成為光催化制氫半導(dǎo)體材料。在我的身體里，電子填滿了一些能量較低的能帶，也稱為滿帶，其中能量最高的滿帶稱為價帶。你們現(xiàn)在站的地方就是價帶了，而價帶之上有一系列空帶，而能量最低的空帶則稱為導(dǎo)帶。一會兒你就會進入到那里，見證一些奇妙的反應(yīng)?！?/p>

我這才意識到我竟然在光催化的部落中，而且還是在別人的肚子里，我一頭霧水，不知道接下來會發(fā)生什么。

“他是光生電子，接下來的旅程就讓他為你做向?qū)О伞！惫獯呋瘎┯终f道。

“走吧！快跟我來！”電子小朋友迫不及待地拉起我的手，他拉著我一起飛過了像銀河一樣的通道。

“我們到了?！彼牧伺奈业募绨?。

“這是什么地方啊？”我又好奇地發(fā)問。這時候一個十分溫柔的女聲在我耳邊響起來，“我是你們的導(dǎo)帶姐姐，你們已經(jīng)到了我的領(lǐng)地，接下來你就會在我這里看到神奇的光催化反應(yīng)了?！?/p>

“氫離子妹妹等很久了，走，我們?nèi)ゴ呋瘎┑谋砻嫔险覛潆x子妹妹！”我聽見電子興奮地說。我和他一起像穿過了厚厚的泥土一樣，好不容易冒出了頭，到了催化劑的表面，發(fā)現(xiàn)四周都是水，像在深海里一樣。

“這就是氫離子妹妹！”電子熱情地向我介紹道。

只見電子小朋友走了過去，他們手拉著手一起轉(zhuǎn)啊轉(zhuǎn)，最后融合為一體，儼然變成了一個全新的模樣，我十分驚訝，捂住了嘴巴。

“你好，小朋友，我是氫氣，我是光催化反應(yīng)中由氫離子和電子還原產(chǎn)生的。我是一種清潔的新能源載體，可用于燃料電池，將太陽能、風(fēng)能等可再生能源儲存，未來的市場前景十分廣闊?！边@時氫氣發(fā)聲了。

“光生電子有很強的還原性，他們倆結(jié)合發(fā)生反應(yīng)，使得氫離子變成氫氣，這就是光催化的制氫反應(yīng)哦?！睂?dǎo)帶姐姐向我解釋[2]。

“這真的太奇妙了！”我不禁感嘆道。

“好了，光電子的使命已經(jīng)完成，我送你回到你出發(fā)的地方吧?！睂?dǎo)帶姐姐說道。

“嗖”的一下，我又回到了價帶，低頭看見地上有許多的孔洞。

“不要小看這些孔哦，他們是光生電子激發(fā)出去留下的空穴，有極強的氧化性，在導(dǎo)帶發(fā)生反應(yīng)的同時，這里也會發(fā)生相對應(yīng)的氧化反應(yīng)，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)一起構(gòu)成了光催化反應(yīng)。剛才電子跑到導(dǎo)帶上時，空穴就可以將H2O氧化為O2，完成了另外一個半反應(yīng)(圖1)?！眱r帶姐姐語重心長地說道。

圖1 光催化制氫原理圖

“但是要想實現(xiàn)這一反應(yīng)，光催化劑材料就必須滿足特殊的能帶結(jié)構(gòu)，要求同時滿足導(dǎo)帶電位較H＋/H2(0 eV)電位更負，價帶電位較O2/H2O(1.23 eV)電位更正(圖2)。此外你看到的光生電子和空穴，他們之間很容易復(fù)合，這會使光催化反應(yīng)無法進行，所以大部分材料需要在反應(yīng)水溶液中加入電子給體作為犧牲劑，不可逆地消耗光催化過程中產(chǎn)生的空穴，進而延長光生電子壽命?！眱r帶又說道。

圖2 常見半導(dǎo)體催化劑的能帶結(jié)構(gòu)

“啊，原來是這樣啊?！蔽尹c點頭。

“這樣吧，你既然已經(jīng)了解光催化制氫的過程了，下面你可以去我們的氫能利用城市看看，那里會帶給你更多的驚喜?！贝呋瘎┱f道。

“好！”

忽然一轉(zhuǎn)，我來到了一個漂亮的城市，這里有著藍藍的天空、錯落的街道。

我走上前去，看到路上行駛的車輛都標(biāo)注了氫能汽車、無污染的標(biāo)志。人們使用的能源也都是來自氫能，真的讓我大吃一驚。現(xiàn)在地球上污染這么嚴重，如果我們也可以利用綠色氫能，一定可以更好地保護環(huán)境。

“光催化制氫部落你已經(jīng)參觀完了，我把你送到下一個部落吧。”這時制氫催化劑的聲音在我耳邊響起了。

2 CO2還原

有了剛才的經(jīng)歷，我感覺適應(yīng)了一些，不像剛才那么震驚，對接下來的旅程更加充滿期待。轉(zhuǎn)眼之間，我又被送到了一個新的部落，看到路邊的標(biāo)志上寫著“光催化二氧化碳還原”。我走了進去，迎面碰上了一個胖胖的小朋友，他長著一頭紅色的頭發(fā)，身體圓滾滾的，十分憨態(tài)可掬。

“遠方的朋友你好，早就聽說你要來了，歡迎來到二氧化碳還原部落。我是一個二氧化碳分子，接下來和我一起去找催化劑姐姐，讓我能夠變身成為更有用的化學(xué)物質(zhì)吧?！彼壹澥康鼐狭藗€躬。

“好的！”

“因為我們性質(zhì)特殊，我不好吸附到催化劑的表面，所以這些催化劑都是特殊為我們設(shè)計的?？旄襾戆?”

一會兒，我們來到了一個名叫CO2還原工廠的地方，CO2開心地拉著我進去。我們一起跳進了其中一個還原車間，水里漂浮著許多黑色的固體。

“來，和我一起抱在催化劑的表面，等待光電子來找我?！?/p>

“光電子？是被光能激發(fā)的那個光生電子嗎？”我問道。

“沒錯，想必你已經(jīng)見過他了，我的轉(zhuǎn)化也少不了他的助力?！?/p>

忽然一道白光閃過，我反應(yīng)過來這是光催化反應(yīng)要開始了?！斑@些光子的能量都是大于半導(dǎo)體能帶間隙，就是價帶和導(dǎo)帶的能量差，就是價帶中的電子脫離共價鍵跑到導(dǎo)帶所需的最低能量，一般用Eg表示?！盋O2向我說道[3]。

“光電子來了！”CO2激動地說道。只見圓腦袋的小朋友沖破束縛，鉆了出來。

“快來幫助我變身吧，電子小朋友。”

轉(zhuǎn)眼間，CO2不見了，竟然變成了好幾個長相各異的朋友。

“你好呀，我們是由CO2和電子還原得到的低碳化合物家族成員，我是其中的大哥CH4，這是我的二弟CH3OH、三弟HCHO、四弟HCOOH、小弟C2H5OH，除了我們，家族還有其他成員哦(圖3)?！逼渲幸粋€成員向我解釋道[4]。

圖3 光催化CO2還原原理圖

“這真的太神奇了，竟然可以由CO2變身成為一個家族?！?/p>

“沒錯，經(jīng)過CO2這一變身啊，我們兄弟就可以變成可以被利用的資源了，經(jīng)過進一步分類篩選，輸送到下一個能量站，為我們光催化CO2還原部落不斷助力?！?/p>

“這意義十分重大啊，在我生活的地球上，CO2是溫室氣體，引起了全球變暖等效應(yīng)。光催化CO2還原不就可以促進太陽能的使用、緩解溫室效應(yīng)，在減少溫室氣體排放的同時也可以實現(xiàn)碳資源的循環(huán)與能源經(jīng)濟的發(fā)展呀?！蔽衣?lián)想到在學(xué)校學(xué)習(xí)的環(huán)保知識，十分興奮地說道。

他們聽了我的話都十分贊同，為我鼓起了掌。

我害羞地低下頭。

在這時，催化劑又發(fā)聲了。

“小朋友，看來你參觀得十分細致，接下來讓我送你去最后一個部落吧。”

3 污染物降解

“各位乘客，光催化降解站到了。”伴隨著下車的提示音，我發(fā)現(xiàn)自己來到了光催化降解部落。

“小朋友，歡迎光臨，讓我?guī)闳ノ覀儾柯涞墓獯呋到馕廴疚镏行??！庇孀邅硪粋€黑黑瘦瘦的中年人熱情地向我打招呼。

不一會兒，我們就到了一個像工作車間的地方。

“看，這里面都是降解污染物的光催化劑，當(dāng)大于能帶間隙能量的光子進去后，就激發(fā)價帶上的光生電子(e-)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上留下空穴(h+)[5]。你看，電子和空穴這一對搭檔分別跑到催化劑表面了，空穴(h+)自身具有很強的氧化性，他自己就能制服污染物，但是他還能與H2O、OH-一起反應(yīng)生成強氧化性的羥基自由基·OH。而電子本身具有還原性，可以將污染物還原后降解，同時電子(e-)還可以與水中溶解的O2反應(yīng)生成超氧自由基·O-2。超氧自由基進一步與h+反應(yīng)生成·OH。最后，·O-2、·OH和h+他們合力將水中污染物降解。經(jīng)過這一系列的反應(yīng)，這些污染物已經(jīng)變成H2O、CO2等無機物(圖4)?！敝心耆讼蛭医榻B道[6]。

圖4 光催化降解原理圖

接下來我們來到殺菌車間，在這里我們看到許多細菌和病毒，也在光催化的作用下，被分解掉了。

“好厲害呀，如果有了這項技術(shù)，污水、廢氣就不會再污染地球了，太陽光就可以將他們降解掉，對環(huán)境十分友好啊。而且在如今新冠疫情爆發(fā)的時代，病毒席卷，這項技術(shù)如果能被實際運用，將會為全世界造福啊?！蔽也唤锌?。

突然腳下一輕，再次站定，發(fā)現(xiàn)自己來到了一個宮殿前，見到了一個老人。

“小朋友你好，我是光催化國的國王，看到你今天的收獲很大呀，其實我們國度還有光催化固氮等部落，時間不夠了，下次你可以再去參觀，現(xiàn)在讓我送你回家吧?！?/p>

“好，感謝您，我們下次再見?！蔽疑钌畹鼐瞎乐x。

“下次再見，下次再見，神奇的光催化王國！”我大聲喊道。

突然眼前的一切消失了，睜開眼睛，原來我是在展覽館里看化學(xué)能源的科普片呀，剛才所發(fā)生的故事竟然是我的一個夢。光催化對環(huán)保的作用如此巨大，有制取氫氣、還原CO2、降解污染物等，我一定要在一會兒的總結(jié)匯報中向同學(xué)們展示。