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1.2.1 光催化
光催化（Photocatalysis）是光化学和催化化学的交叉领域，其是一门集光学、电化学、材料学、表面化学和催化化学于一体的综合性学科，其特征是纳米半导体材料通过有效吸收光能产生具有极强氧化能力和还原能力的光生空穴和电子，在催化剂表面发生直接或间接的氧化或还原反应[20]。纳米半导体光催化引起科学界普遍兴趣的主要原因在于其对能源利用和环境净化问题的潜在价值。
我们知道光化学是化学的一个小分支，涉及紫外光（UV）、可见光（Visible light）和红外光（Infrared light）照射下引发的化学反应。光催化是“光催化反应”的一个概念，其必备要素是光吸收，光催化剂以及由此引发的化学变化三部分。
1.2.2 光催化反应的类型及其原理
根据光同催化剂及吸附物的作用不同，光催化反应可分为两类过程：即敏化光反应(sensitized photoreaction)和催化光反应(catalyzed photoreaction)。
敏化光反应指起始光激发发生在催化剂表面吸附的分子上，该分子再与基态催化剂本底反应的过程。这通常有两种情况：如果半导体是非光活性的(非光敏性的)，对于表面吸附的物质来说没有合适的能级，固体不参与光诱导电子过程，电子直接从被吸附物的给体向受体分子转移。如果半导体光催化剂有合适的能级，并且半导体基底与被吸附物之间有很强的电子相互作用，那么半导体基底将对光诱导电子迁移过程有调节作用。电子可以从给体迁移进入半导体光催化剂，然后转移进入受体轨道。在这种情况下，光催化剂参与光诱导电子的动力学过程。催化光反应是指，入射光首先激发半导体光催化剂，受激发的光催化剂再将光生电子或能量传递给吸附在其表面的基态分子，然后进行反应。
在光催化反应中，原来由催化剂和反应物形成地活化能垒，由于吸收光子能量而较易克服，使反应速率进一步提高。从此角度分析，光催化反应又可归纳为以下几种类型：
(1) 反应物被光激发后，在催化剂作用下引起的催化反应。这类反应可表示为：
A + hv → A*
A* + K → (AK)* → B + K
这实际上就是一般的光催化反应。经激发的反应物分子和具有过剩能级的基态分子不同，有其自己的结构、物理性质和包括催化性质在内的化学性质。此外激发态还有特殊的氧化还原性质：成键轨道上产生的空位在一个电子影响下更易接受外界电子：同样，由于吸收光子的关系，上升到反键轨道上的电子更易在电子转移过程中丢失。不仅如此，电子密度的重排也将影响到分子中发生反应的位置。因此，由光激发的分子在催化剂作用下的反应完全不同于一般的催化反应。
(2) 由激发的催化剂K*所引起的催化反应。这类反应可记作：
K + hv → K*
K* + A → (AK)* → B + K
目前许多利用半导体的反应，例如以Ti02为催化剂的光催化反应都属于这一种类型。这类催化剂在光激发下产生的电子和空穴，可以分别将反应物还原和氧化。在有些情况下，这种激发状态下的催化剂也可被看作光敏剂。如负载在多孔高硼硅酸耐热玻璃上的MoO3催化剂，在丙烯的光催化歧化反应中发现生成了如下式所示的激发物种：
Mo6+=O2- → [Mo5+-O-]•
后者在和丙烯反应时，按生成金属碳烯的歧化反应机理生成目的产物。
(3) 催化剂和反应物有很强的相互作用，如生成配合物，后者再经激发进行的催化反应。这类反应可记作：
A + K → (AK)
( AK) + hv → (AK)* → B + K
许多用有机金属配合物为催化剂的光催化反应属于这一类型。例如，使用W(CO)6或Mo(CO)6为催化剂的1，2-二苯乙烯的几何异构反应以及使用Fe(CO)6为催化剂的戊烯的异构化反应等均属于这类反应。
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