1.2 半导体光催化剂的基本原理

半导体光催化剂分为p型半导体材料和n型半导体材料，其中以n型半导体材料为主，目前使用最广泛的材料是TiO2。半导体的光催化原理可通过固体能带理论来解释。它们大多都具有特殊的能带结构，与金属和非金属有着很大的区别。在半导体的能带结构中不仅有价带和导带，在这之间还存在一个禁带。当可见光照射到半导体上时，半导体价带上的电子获得光子的能量，从价带跃迁到导带发生带间跃迁，因此产生了空穴和光生电子，在价带上产生了空穴，在导带上形成了光生电子。空穴与电子对的数量正是影响其光催化性能的关键。由于能量的转移和一系列的反应产生了吸附在纳米颗粒表面的超氧负离子和催化剂表面的氢氧自由基，这些都具有很强的氧化性，使其能够将绝大部分的有机物氧化。其对污染的治理机理就是将一些污染物质在这些强氧化基团的作用下，最终氧化为无毒无害CO2和H2O，以达到净化污染的效果。超氧负离子和氢氧自由基的强氧化性甚至能把一些无机物进行完全分解。  

现在，通过对于半导体光催化氧化机理的研究表明，当半导体受到光照时，它价带上的电子得到光子的能量进而跃迁到导带上，在价带上产生了空穴，在导带上形成了光生电子，电子跃迁转移获得大量的空穴与电子对，而使半导体获得了光催化活性。通过能量的转移和一系列的反应进而生成超氧负离子和氢氧自由基，超氧负离子吸附在纳米颗粒的表面而氢氧自由基迁移到催化剂的表面。参与化学反应的主要物质正是这些强氧化的基团，它们与反应基质发生作用，将其氧化成CO2和H2O以及一些其它的小分子物质，使污染物的污染程度大幅度降低，以此达到控制和治理污染的效果。

1.3 影响半导体光催化剂性能的因素文献综述

在现在品种繁多的半导体光催化剂产品中，产品质量参差不齐，不是所有的半导体光催化剂都能得到应用，只有极小一部分光催化剂的性能能够完全发挥。这样无法满足日常生活生产的要求，以至于无法得到大规模的应用。大部分光催化材料的光催化活性过低是一个很重要的原因。光催化剂主要是通过对太阳光的吸收而产生强氧化的物质，然而大部分光催化材料对太阳光的响应波长范围比较窄，因此它们对太阳光的利用率将会大打折扣，转化效率也会大幅降低。所以它们的光催化性能受到了极大的限制。另外，光催化材料的光生载流子的量子效率也偏低。这些便是光催化氧化技术的缺陷，同时也导致了光催化氧化技术在现实生活中无法得到大规模的应用。此外，光催化材料的晶体结构、粒径大小、形态、比表面积以及表面态也会影响这些光催化材料的光催化性能。因此，一定要对这些影响因素及其作用原理进行深入的研究与了解，才能让我们可以有针对性地对光催化材料进行设计以及改性等，从而改进并且提升光催化材料的光催化活性。总而言之，很多因素包括：光催化材料本身的性质，还有光催化过程中的反应条件等，都会对光催化剂的催化性能起到极大的影响[5]。

1.4 改善半导体光催化剂的方法

经过多年的研究和探索，研究者们对半导体光催化剂已经有了比较深入的了解，并且取得了较为良好的成绩。目前已经制备出的TiO2、ZnO、CeO2、ZnWO4等光催化剂，经过试验证明它们都具有良好的光催化性能。因此，半导体光催化剂在现实生活中的应用前景十分广阔，在许多方面都能得到应用，与一些传统的光催化剂相比有着更好的效果。但是对于现在得到广泛应用的半导体光催化剂来说还是存在一定缺陷的，依然有很多地方需要改进和完善。这导致了半导体光催化剂在现实生活中无法得到大规模的应用，因此，对半导体光催化剂进行改性研究是刻不容缓的。从半导体光催化的反应机理可以得知，光催化剂的光催化性能取决于光生空穴与电子对的数量[6]。由于半导体光催化剂的禁带普遍比较宽，所以光响应范围就比较窄只能对高频率的紫外光进行响应。这会大大的影响半导体光催化剂对太阳光的利用率以及转化效率，光催化过程中的催化性能也会大幅度的降低。如果能够对低频率的紫外光进行响应，就能产生更多的空穴与电子对，半导体光催化剂的性能便可以得到大幅的提升，半导体光催化剂的应用也会变得更加普遍。所以，这些半导体光催化剂需要进行相应的改进来提高其光催化性能[4,6,7]。