本書在介紹非均相光催化反應(yīng)概念、機(jī)理、動力學(xué)、材料制備和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和表面修飾、光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移過程、金屬-半導(dǎo)體界面納米結(jié)構(gòu)調(diào)控做了比較深入的探討。在理論和應(yīng)用兩個方面討論了光催化材料在環(huán)境污染物分解、分解水制氫、二氧化碳光化學(xué)還原和光催化有機(jī)合成等領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了近二十年來蓬勃發(fā)展的光催化劑及其應(yīng)用，如金屬有機(jī)骨架化合物、鈣鈦礦類光催化劑、共軛聚合物光催化劑、碳點光功能材料等，希望能給讀者帶來新的認(rèn)識和啟示。
本書可作為高等院校光催化相關(guān)專業(yè)研究生教材和專業(yè)技術(shù)人員的參考書。

劉春艷，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員。長期從事超細(xì)粒子制備和性能、光催化和納米光催化環(huán)境凈化材料研究。在金屬、半導(dǎo)體及其復(fù)合超細(xì)粒子制備和性能、納米結(jié)構(gòu)的表面和界面性質(zhì)與功能化研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。特別在以下三方面進(jìn)行了創(chuàng)造性工作：（1）金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究；（2）尺寸、結(jié)構(gòu)與形態(tài)可控的納米材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備；（3）同屬晶種核殼結(jié)構(gòu)材料制備與性能研究。代表性著作有：譯著《照相感光度——理論和機(jī)理》，河北教育出版社，2002；《納米光催化與光催化環(huán)境凈化材料》，化學(xué)工業(yè)出版社，2008。

劉云，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所副研究員。研究領(lǐng)域包括：（1）光催化材料的設(shè)計、合成、表/界面性能及應(yīng)用研究；（2）碳發(fā)光材料合成、發(fā)光機(jī)理及其表/界面的化學(xué)與光化學(xué)；（3）光功能材料在環(huán)境、能源方面的應(yīng)用研究。

1972年，F(xiàn)ujishima 和Honda發(fā)現(xiàn)光照TiO2半導(dǎo)體電極分解水制氫，開始了非均相光催化的新紀(jì)元。即時起，化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、材料學(xué)和環(huán)境科學(xué)的專家們努力探索和了解半導(dǎo)體光催化的基本過程、機(jī)理及其應(yīng)用。隨著對非均相光催化反應(yīng)機(jī)理的深入理解、人類發(fā)展對環(huán)境和能源的迫求需求，非均相光催化工程、材料制備技術(shù)和應(yīng)用得到迅速發(fā)展。 《非均相光催化基礎(chǔ)與應(yīng)用》一書在介紹非均相光催化反應(yīng)概念、機(jī)理、動力學(xué)、材料制備和應(yīng)用基礎(chǔ)上，對半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)和表面修飾、光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移過程、金屬-半導(dǎo)體界面納米結(jié)構(gòu)調(diào)控做了比較深入的探討。在理論和應(yīng)用兩個方面討論了光催化材料在環(huán)境污染物分解、分解水制氫、二氧化碳光化學(xué)還原和光催化有機(jī)合成等領(lǐng)域的應(yīng)用。介紹了近二十年來蓬勃發(fā)展的光催化劑及其應(yīng)用，如金屬-有機(jī)骨架化合物、鈣鈦礦類光催化劑、共軛聚合物光催化劑、碳點光功能材料等，希望能給讀者帶來新的認(rèn)識和啟示。 本書概述了非均相光催化原理，光催化劑結(jié)構(gòu)、制備、性質(zhì)和應(yīng)用。內(nèi)容包括：光催化劑設(shè)計、制備與結(jié)構(gòu)修飾基礎(chǔ)；光催化反應(yīng)的基本機(jī)制；半導(dǎo)體表面光誘導(dǎo)電荷過程和金屬-半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)界面的光誘導(dǎo)過程。重點介紹了光催化環(huán)境凈化材料的工作原理、目前的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢。本書可作為高等院校化學(xué)和材料專業(yè)和相關(guān)專業(yè)學(xué)生的課外讀物，也可作為相關(guān)專業(yè)研究生和專業(yè)技術(shù)人員的參考書。

1972年Fujishima和Honda發(fā)現(xiàn)了光照TiO2半導(dǎo)體電極分解水制氫，由此開啟了非均相光催化的新紀(jì)元。之后，化學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、材料學(xué)和環(huán)境科學(xué)的專家們努力探索和了解半導(dǎo)體光催化的基本過程、機(jī)理及其應(yīng)用。目前，光催化研究領(lǐng)域大體包括光催化材料的制備、機(jī)理研究、性能調(diào)控及其應(yīng)用；應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及環(huán)境污染物分解、分解水制氫、固氮和二氧化碳的光化學(xué)還原、有機(jī)光催化反應(yīng)等?！都{米光催化及光催化環(huán)境凈化材料》（劉春艷編著，化學(xué)工業(yè)出版社，2008）一書發(fā)表時，正值非均相光催化在污染物分解及環(huán)境治理方面的應(yīng)用迅速發(fā)展，取得顯著成果之時，因此，該書以TiO2光催化材料為基礎(chǔ)，在理論和應(yīng)用兩個方面介紹了納米光催化及其環(huán)境凈化材料。
隨著對非均相光催化反應(yīng)機(jī)理的深入理解、光催化材料制備和應(yīng)用工程、表面修飾技術(shù)的不斷發(fā)展，響應(yīng)世界對能源和環(huán)境改善的迫切需求，近年來，光催化分解水制氫、CO2光催化還原等研究得到快速發(fā)展?！斗蔷喙獯呋A(chǔ)與應(yīng)用》在保留《納米光催化及光催化環(huán)境凈化材料》一書原有特點的基礎(chǔ)上，介紹非均相光催化材料和應(yīng)用的新發(fā)展，特別關(guān)注光催化分解水、CO2的光催化還原反應(yīng)。由于光催化分解水和CO2的光催化還原反應(yīng)遵循非均相光催化反應(yīng)基本原理，因此本書在光催化分解水和CO2的光催化還原反應(yīng)的原理方面未深入涉及，只對業(yè)界關(guān)心的問題提出了討論。此外，本書還介紹了近二十年來蓬勃發(fā)展的光催化劑及其應(yīng)用，如金屬有機(jī)骨架化合物、鈣鈦礦類光催化劑、共軛聚合物光催化劑、碳點光功能材料等，希望能給讀者帶來新的認(rèn)識和啟示。
借此機(jī)會，對我們實驗室的職工和研究生的工作，特別對王傳義、張志穎、溫寶妹、蔣仲杰、李廣勤、張森等博士的工作表示感謝！本書的部分內(nèi)容取自他們的工作成果及論文。感謝國家自然科學(xué)基金委的指導(dǎo)和資助（20573126、90306003、20173275、29573141、21273256），感謝國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃的資助（973：2007CB613304），感謝中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程的支持和資助。
由于作者水平和知識面有限，書中難免存在疏漏和不足之處，懇請讀者批評指正。

劉春艷、劉云  
2024年12月于北京

第1章 非均相光催化基礎(chǔ) 001
1.1 基本概念 001
1.1.1 光催化反應(yīng)及光催化劑 001
1.1.2 光催化反應(yīng)的類型 002
1.2 半導(dǎo)體的光催化反應(yīng)機(jī)制 003
1.2.1 帶隙激發(fā) 003
1.2.2 去活化過程 004
1.2.3 半導(dǎo)體光催化反應(yīng)機(jī)理 005
1.2.4 反應(yīng)過程動力學(xué) 007
1.2.5 影響光催化反應(yīng)的因素 008
參考文獻(xiàn) 013

第2章 TiO2光催化劑 014
2.1 TiO2光催化劑的結(jié)構(gòu) 014
2.1.1 TiO2的晶體結(jié)構(gòu) 014
2.1.2 TiO2的能帶結(jié)構(gòu)與帶隙 016
2.1.3 能帶彎曲和Schotky勢壘 018
2.2 TiO2晶體的X射線衍射的性質(zhì) 020
2.3 TiO2晶體的電子性質(zhì) 021
2.4 TiO2晶體的光學(xué)性質(zhì) 023
2.5 TiO2光催化劑的設(shè)計與制備 024
2.5.1 TiO2納米晶體 025
2.5.2 TiO2納米晶體的制備 027
2.5.3 TiO2納米晶體的尺寸、晶相和形態(tài)控制 031
2.5.4 板鈦礦型TiO2 035
2.5.5 TiO2一維納米結(jié)構(gòu) 038
2.5.6 空洞結(jié)構(gòu)納微米TiO2 042
參考文獻(xiàn) 051

第3章 非TiO2光催化劑 055
3.1 過渡金屬復(fù)合物 056
3.2 鎘離子與硫?qū)僭亟M成的ⅡB-ⅥA族半導(dǎo)體光催化劑 057
3.3 金屬-有機(jī)骨架結(jié)構(gòu) 058
3.3.1 MOF組裝和結(jié)構(gòu) 058
3.3.2 MOF作為光催化劑的反應(yīng)機(jī)制 059
3.3.3 MOF在水污染物治理中的應(yīng)用 060
3.4 鈣鈦礦型光催化劑 060
3.4.1 鈣鈦礦光催化反應(yīng)機(jī)制 061
3.4.2 鈣鈦礦光催化劑的發(fā)展 063
3.5 共軛聚合物類光催化劑（有機(jī)聚合物半導(dǎo)體光催化劑） 067
3.5.1 類石墨相氮化碳（g-C3N4） 068
3.5.2 共價有機(jī)骨架聚合物 073
3.5.3 共軛微孔聚合物 075
3.5.4 線型和梯形共軛聚合物 076
3.5.5 共軛超分子自組裝光催化劑 078
參考文獻(xiàn) 080

第4章 光催化劑的表面修飾 084
4.1 復(fù)合半導(dǎo)體 085
4.1.1 寬帶隙半導(dǎo)體修飾 085
4.1.2 窄帶隙半導(dǎo)體修飾 086
4.1.3 修飾用半導(dǎo)體的尺寸效應(yīng) 087
4.2 染料敏化 089
4.3 金屬沉積 090
4.3.1 金屬納米顆粒在光活性氧化物上的光化學(xué)沉積 091
4.3.2 金屬-載體的光譜性質(zhì) 092
4.3.3 金屬沉積誘導(dǎo)的光化學(xué)性質(zhì)改變 098
4.4 金屬摻雜 100
4.5 非金屬摻雜 101
4.6 TiO2基固體超強(qiáng)酸光催化劑 104
4.7 多元化修飾技術(shù) 105
4.8 光催化劑的負(fù)載 107
4.9 Z型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)光催化劑 108
4.10 一維納米結(jié)構(gòu)的表面修飾 110
4.10.1 摻雜 110
4.10.2 包覆 111
參考文獻(xiàn) 113

第5章 高級氧化反應(yīng) 116
5.1 高級氧化反應(yīng)的類型 118
5.1.1 Fenton反應(yīng) 118
5.1.2 Fenton反應(yīng)機(jī)理 118
5.1.3 類Fenton反應(yīng) 119
5.1.4 Fenton反應(yīng)的影響因素 120
5.1.5 過氧化氫組合體系 121
5.1.6 其他體系：雜多酸鹽/H2O2光催化體系 123
5.2 高級氧化與光催化 123
5.3 高級氧化與光催化體系的應(yīng)用 125
參考文獻(xiàn) 126

第6章 光催化在基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)研究中的應(yīng)用 128
6.1 有機(jī)化合物的光催化反應(yīng) 128
6.1.1 有機(jī)化合物的光催化氧化 128
6.1.2 有機(jī)化合物的光催化還原 128
6.1.3 有機(jī)化合物的光催化異構(gòu)化 130
6.1.4 有機(jī)化合物的光催化取代 131
6.2 光催化在基礎(chǔ)有機(jī)合成中的應(yīng)用 131
6.2.1 光催化有機(jī)合成的基本過程 132
6.2.2 影響光催化有機(jī)合成效率和選擇性的因素 133
6.2.3 代表性的光催化有機(jī)合成反應(yīng) 137
6.2.4 光催化劑在選擇性有機(jī)合成中的應(yīng)用 138
參考文獻(xiàn) 147

第7章 光催化環(huán)境凈化材料 149
7.1 光催化在環(huán)境治理方面的應(yīng)用 149
7.1.1 光催化氧化能力 150
7.1.2 光致超親水性 150
7.2 利用光催化反應(yīng)處理污水 153
7.3 空氣凈化 156
7.4 抗菌、防霉、除臭 157
參考文獻(xiàn) 158

第8章 非均相光催化在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 159
8.1 光催化分解水制氫 159
8.1.1 助催化劑 160
8.1.2 犧牲劑 164
8.2 CO2的光催化還原 169
8.2.1 CO2光催化還原反應(yīng)機(jī)制 170
8.2.2 TiO2催化的CO2光還原反應(yīng) 171
8.2.3 MOF在CO2非均相光催化還原反應(yīng)中的應(yīng)用 172
8.2.4 CO2光催化還原反應(yīng)在環(huán)境和能源方面的利用 173
參考文獻(xiàn) 174

第9章 碳點及其復(fù)合物的光催化反應(yīng) 176
9.1 碳點的分類及電子結(jié)構(gòu) 176
9.2 碳點的光譜性能 178
9.2.1 “自上而下法”合成的碳點的光譜特性 178
9.2.2 “自下而上法”合成碳點的光譜特征 180
9.2.3 “有機(jī)全合成法”合成碳點 182
9.3 碳點在非均相光催化過程中的作用 184
9.3.1 光催化劑 184
9.3.2 光敏劑 185
9.3.3 轉(zhuǎn)光劑 187
9.4 碳點在光催化領(lǐng)域中的應(yīng)用 187
9.4.1 有機(jī)光合成 187
9.4.2 光催化分解水產(chǎn)氫 188
9.4.3 CO2光還原 190
9.4.4 污染物治理 190
參考文獻(xiàn) 192