天然的光催化剂--叶绿素
40亿年前冥古宙时期，生命诞生之初的地球是一个荒芜的星球，地表布满火山岩浆，并不合适生物们的生存。大多生命体只能生活在原始海洋中，他们不知道怎么制造营养物质，只能找寻低一级的生命体或者各种简单的有机物来提供自身的生命所需。可在那时，可供选择的有机物并不多，生物们能寻求的能源供给非常匮乏。太阳，这个强大而持续的能源给予了生命体更多的生存机会。光合细菌率先将太阳能引入了生命世界，依靠菌绿素来完成对太阳能的吸收和转化。菌绿素就像一把钥匙，打开了使用太阳能的大门。逐渐进化的植物们也开始尝试，用叶绿素作为催化剂，在太阳光的照射下，将水和空气转化为有机物。地球经过近30亿年漫长的演化，逐渐改变了恶劣环境，为生物创造了发展的温床。所以我们不得不承认，光合作用是地球上最伟大的反应，它能为几乎所有生物，包括人类提供了物质和能量的来源。如果把光合作用逆反过来看就是光催化反应（简称光催化），它是催化剂在光的作用下，将光能转化为化学能的催化反应。光催化和光合作用是自然界中最简单也是最完整的物质循环（图1）。
为什么说“光催化是甲醛的克星”
甲醛，大家都知道，是一种对人体危害非常大的物质。它无色无味，人们看不到它，但它的存在不可避免，甚至隐藏在生活中的每一个角落，每年因它致病致死的人超过数十万。研究表明，室内甲醛超标已经成为诱发白血病的主要原因 (图2)。不仅如此，甲醛超标还可能带来增加儿童哮喘病的发病率、导致儿童铅中毒、使儿童的智力大大降低等各种危害。所以人们已经到了“谈甲醛色变”的地步。这个“影子杀手”挥发期较长，隐蔽性又较高，化学性质还比较稳定，是公认的“很难清除” [1，2]。但是，人们还是找到了它的克星，那就是光催化。
图2 甲醛是一种致癌物（图片来源于网络）
我们先看看光催化的微观反应是什么样的呢？以常见的光催化材料二氧化钛（TiO2）纳米粒子为例（图3）：平常二氧化钛粒子很稳定，可它一碰到紫外光，就变得非常地“兴奋”，把自己的电子e-到处乱抛，它抛出电子后，自身还会出现一些空出的“电位”（我们常称为空穴h+）。这些电子和空穴一旦和周围的物质进行反应，就可以完成化学能的生成和储存。比如，它们能把周围的氧气及水分子激发成氧化性极强的活性氧物种（比如：超氧离子•O2-，羟基自由基•OH），这些活性氧能与有毒的有机物反应，将它们转化为无毒的二氧化碳和水（有效降解有机物质）。它们可以将水和二氧化碳结合为简单的有机物，如甲醇（人工光合作用）。它还能还原和氧化水中的质子和氧负离子，产生氢气和氧气（光解水生氢）。当任务完成之后，二氧化钛就“冷静”下来了，电子会全部跑回来，和空出的电位（空穴）再重新结合，回到原来的样子。以这种方式，二氧化钛粒子不仅自身没有消耗，而且还能进行能量转化，将光能转化为化学能，促进各种类型的化学反应。
图3 半导体光催化反应的基本过程示意图
看来，甲醇这类的有机污染物遇到光催化剂便是“无路可走”了。发生光催化反应后，那些具有很强的氧化能力的活性氧物种，可以将甲醛彻底分解成无污染的水和二氧化碳。所以“甲醛虽可怕，收服它的方法还是有的”。
“光催化之父”-藤岛昭
提起光催化，不能不讲讲日本光化学科学家藤岛昭（Fujishima Akira）。他因为发现二氧化钛（TiO2）表面在紫外光照射下水的光分解现象，多次被“诺贝尔奖”提名，他也被人们称为“光催化之父”。1967年，在东京大学就读研究生的藤岛昭 [3]在研究中意外地发现“在水中只用光照射半导体就可以摄取氢气”。他用一台钻石切割机，将坚硬的二氧化钛单晶体切薄切断，连上了铜线以增强导电性，制备了电极。将这个电极放入电解溶液中，使用紫外灯进行照射，电极表面就开始 “噗噗”地产生气泡。通过测定，这些气泡正是水分解成的氧气和氢气。而反应之后，二氧化钛表面仍然闪闪发光，质量也没有发生变化。可当时他的发现并没有得到大家的重视。那时传统的观点是电解水得到氢气一定需要加电的，没有通电，是不可能产生出氢气。因此他受到来自各方的严厉批判，差一点连博士也不能毕业。可他并没有放弃，依然坚持研究。每每看到绿叶，他总能想到自己的研究，仍然很兴奋。“因为这个实验原理实际上是金属材料中植物光合作用的另一个版本。想象一下，如果你将来可以利用太阳产生清洁的氢能……”直到1972年7月，他的研究成果终于在《自然》杂志上发表 [4]，这使得全世界都开始关注它——光催化。而光催化剂效应也被称为“本多—藤岛效应（Honda-Fujishima Effect）”（图4），这个名字结合了藤岛昭和他的导师本多健一（Kenichi Honda）名字。
图4 本多—藤岛效应
在他之后，科学家们对光催化进行了更深入的研究。1976 年John. H.Carey等由多氯联苯光催化氧化着手，开创了光催化在消除环境污染物方面的研究先河。1977 年，T. Yokota 等发现二氧化钛（TiO2）在光照下，对丙烯环氧化物有很好的光催化活性。这不仅拓宽了光催化的应用范围，也为有机物的氧化反应提供了一条新的研究思路。1983 年，A. L.Pruden和D. Follio又发现光催化氧化对烃类氯化物等有机污染物有良好的降解效果。1989 年，K. Tanaka等人报道了光催化方面新的研究进展。他们认为，有机物的半导体光催化过程是由羟基自由基（•OH）引起的，如果在反应体系中适当加入H2O2可增加•OH的浓度，提高光催化效率。到20世纪90年代，光催化的研究更加活跃，随着纳米技术的兴起和光催化在环境保护、有机合成和保健中的迅速发展，纳米光催化剂的研究已成为世界上最活跃的研究领域之一 [5-9]。
光催化材料家族成员
有“单兵作战”的纳米金属氧化物半导体，如二氧化钛（TiO2）、氧化铁（Fe2O3）、氧化钨（WO3）、氧化锡（SnO2）、氧化铜（CuO）、氧化锌（ZnO）等。它们制备方法简单，原料成本低，使用方便，但缺点是光催化效率较低和可见光利用率低。有喜欢“团队合作”的双组份纳米半导体光催化剂，如硫化镉-氧化锌（CdS- ZnO）、硫化镉-二氧化钛（CdS-TiO2）、硒化镉-二氧化钛（CdSe-TiO2）、氧化锡-二氧化钛（SnO2-TiO2）等。“合作”之后，光催化效率获得了极大地提高。还有一类“引入外援”的，是在纳米光催化材料表面负载贵金属（比如，金、铂等）、石墨烯或碳纳米管；或者是“搭顺风车”类型的，在吸附剂载体（如二氧化硅，沸石，氧化铝，活性炭）表面再负载上各类光催化剂。这样一来，光催化剂就更稳定，反应的选择性更强，催化效率也更高。“特立独行”的一类是钙钛矿型氧化物结构的光催化剂，如钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）、铁酸镧（LaFeO3）等组成的光催化剂，它们属于具有多种特殊物理化学性能的无机非金属材料，由于晶体结构稳定，组成多样，有良好的磁性、介电性和催化性能。
人造森林的“光合作用”
截止到2004年，联合国的“未来太阳能利用”计划、美国“星球大战”计划、日本 “创造科学技术推进事业” 计划、以及中国的“纳米科学攀登”计划等等，各国科技发展项目都将光催化研究纳入重点研发项目。这个学科的全球投资额已不低于近100亿美元，而日本著名的的东陶公司（TOTO）甚至花费2亿美元进行专利布局，占据了日本市场光催化的领先地位 [10]。也许我们可以畅想一下，在若干年后，地球被一片片广袤的森林所覆盖；所有建筑物的顶部也都覆盖着“树叶”，标志着工业化进程的工厂和烟囱再也看不到了。连大街上的行走的人群，全都身披“树叶”……这些 “树叶”都是人造的，智能的、环保的，他们会随着太阳调整自己的姿势，时刻提供各种能量需求。森林中的各种树木都在“大显神通”：有的“树”时刻维护着大气环境；有的“树”能不断产生氢气；有的“树”则源源不断地发电。当各种智能汽车飞驰在街道上的时候，我们完全不用害怕能量供给问题；人们身体上的“叶子”也连接了各种电子设备，随时连接到“树”上就可以充电（图5）。虽然这还只是我们的幻想，但这确是“光”的未来。“森林”就是我们未来的能源供给处和合成工厂，利用太阳光生产我们需要的一切。科学家们正致力于用太阳能去描绘我们美好未来 [11]。
图5 未来的“人造森林”
[1] 崔九思.室内空气污染监测方法.北京:化学工业出版社,2002.10[2] 江中发,袁文菊,张本延.空气中的甲醛污染与白血病关系的研究进展[J]. 环境与健康杂志,2008,25(3):276-278.[3] A.Fujishima, K. Honda, Nature. 1972, 238, 37.[4] 温家林，李星男. 藤岛昭：一生只做一件事. 中国科学院大学新闻网, 2017年1月7日[5] 王红娟，李忠. 半导体多相光催化氧化技术．《现代化工》，2002[6] 刘国光，丁雪军，张学治等.光催化氧化技术的研究现状及发展趋势．《环境工程学报》，2003[7] 李辉，李友明. 纳米TiO2光催化氧化技术在造纸废水处理中的应用．《中国造纸》，2003[8] 杜飞鹏，余颖，曾艳. 纳米TiO2光催化氧化技术研究进展．《环境科学与技术》，2004 [9] 刘正宝，姚清照. 光催化氧化技术及其发展．《工业水处理》，1997[10] 智研咨询集团，《2017-2022年中国光触媒市场供需预测及发展趋势研究报告》
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内容简介
我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。《走近前沿新材料（1）/前沿科学普及丛书·新材料科普丛书》涵盖了20种新的前沿新材料领域新名词，主要包括信息仿生材料、纳米材料、医用材料、能源材料。所选内容既有我国已经取得的一批性技术成果，也努力将前沿材料、先进材料优势的智力资源不断引入国内，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
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