半导体多相光催化作用的原理
半导体多相光催化的原理一般可以用半导体的能带理论来阐述。与金属导体相
比，半导体内电子的费米能级是分立的，能带是不连续的。在半导体的原子或分子
轨道中具有空的能量区域，这个区域由充满电子的价带（
VB
）的顶部一直延伸到
空的导带（
CB
）的底部，被称为禁带。禁带宽度（
Eg
）在数值上等于导带与价带
的能级差。一些比较常见的半导体化合物的禁带宽度以及导带和价带的能级如图
1-1
所示。
Fig.1-1 Bandgap energy, and conduction and valence band energy levels of various
semiconductors at pH=0 (The electrochemical potential for H
2
and O
2
production has been indicated
by dashed line)
图
1-1
pH
＝0
时不同半导体的禁带宽度及其导带和价带的能级
（虚线为产
H
2
和
O
2
所需的化学电势）
半导体吸收阀值（
λ
）与带隙能量（
Eg
）具有如下关系：
λ
(nm)
＝
1240/Eg(eV)
，
只有波长等于或小于该吸收阀值时，其所含光子的能量才等于或大于带隙能量值
（
Eg
）
，半导体的价带电子才能吸收光子的能量被激发，发生带间跃迁，即从价带
跃迁到导带，产生光生电子（
e
-
）
，并在价带上产生相应的空穴（
h
+
）
。光生电子和
空穴在空间电场作用下分离并迁移到半导体粒子的表面。光生空穴具有很强的得电
子能力，因而具有很强的氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附物质或溶剂的电子，
使其被氧化；光生电子则具有很强还原性，能使催化剂表面的电子受体通过接受光
生电子而被还原。用作光催化剂的半导体大多为金属的氧化物或硫化物，一般具有
较大的禁带宽度，有时称为宽带隙半导体。
半导体吸收阀值（
λ
）与带隙能量（
Eg
）具有如下关系：
λ
(nm)
＝
1240/Eg(eV)
，
只有波长等于或小于该吸收阀值时，其所含光子的能量才等于或大于带隙能量值
（
Eg
）
，半导体的价带电子才能吸收光子的能量被激发，发生带间跃迁，即从价带
跃迁到导带，产生光生电子（
e
-
）
，并在价带上产生相应的空穴（
h
+
）
。光生电子和
空穴在空间电场作用下分离并迁移到半导体粒子的表面。光生空穴具有很强的得电
子能力，因而具有很强的氧化性，可夺取半导体颗粒表面吸附物质或溶剂的电子，
使其被氧化；光生电子则具有很强还原性，能使催化剂表面的电子受体通过接受光
生电子而被还原。用作光催化剂的半导体大多为金属的氧化物或硫化物，一般具有
较大的禁带宽度，有时称为宽带隙半导体。
此外被激发的电子（
e
-
）和空穴（
h
+
）并不是全都能参与到光催化氧化还原的
反应当中。当电子空穴被激发后，经历多个变化途径，主要存在复合和运输、俘获
上海交通大学硕士学位论文
第一章
绪论
6
两个相互竞争的过程。对光催化过程来说，光激发产生的电子－空穴对只有被电子
给体或受体俘获并发生作用，才能形成有效的光催化反应。如果在发生氧化还原反
应之前即发生复合，则视为损失
[11]
。
No comments:
Post a Comment