在太阳光照射下，当 TiO2接收到的光子能量大于其禁带宽度时，首先，TiO2价带上的电子被激发到导带上，在导带上生成光生电子，同时在价带上留下空穴;其次，部分光生电子和空穴会在 TiO2体相重新复合，并以荧光、热或其他能量的形式损失掉[反应方程式如式(1-12)和式(1-13)所示]，而没有在体相复合的光生电子和空穴将转移到 TiO2光催化剂的表面;最后，TiO2催化剂表面上没有复合的光生电子和空穴与表面吸附的物种发生相应的氧化还原反应。

TiO2+ hv→TiO2+h++e-         (1-12)

H++e‑→复合+能量(hv'<hv或热能)  (1-13)

    当 TiO2表面存在合适的俘获剂或表面缺陷时，光生电子和空穴的复合会得到有效抑制。导带电子是良好的还原剂，而价带空穴是良好的氧化剂。在TiO2光催化过程中，光生空穴具有较大的反应活性，与表面吸附的H2O或OH-反应形成具有强氧化性的羟基自由基，反应方程式如下:

H2O +h+ -->·OH +H+   (1-14)

OH-+h+ -->·OH        (1-15)

光生电子与表面吸附的 02子发生反应，分子氧不仅参与表面反应，还是表面羟基自由基的另一个来源，反应方程式如下:

O2+e--->·O2-

H2O+·O2--->·OOH +OH-

2·OOH--->О₂+ H₂О₂

·OOH+ H2Ο +e- -->H₂О₂ + OH-

H₂О₂ + e--->·OH + OH-

    上面的反应机理方程式中，多个基元反应产生了活泼的·OH、·O2-    以及·OH2这些都是氧化性很强的活泼自由基，能够将有机物直接氧化为CO、HO等无机小分子。而且由于它们的氧化能力强，氧化反应一般不停留在中间步骤，即不产生中间产物，这也是难以推测其反应机理的重要原因之一。

    光催化技术通常应用于光催化分解水产氢[5-7、光催化还原CO2制备碳氢化合物[8-141光催化降解污染物[15-191、光催化杀菌[20]等领域。光催化分解水产氢半反应是一个典型的利用光生电子的光催化还原反应。从热力学角度来说，只要半导体的导带底位置比HH的还原电位(0VVS.NHE)更负，而价带顶位置比O2/HO的氧化电位(1.23VvS.NHE)更正，就可以发生有效的光催化分解水。光催化分解水反应主要包括三个步骤:①在太阳光照射下，半导体吸收能量高于其禁带宽度的光子，在半导体中产生光生电子-空穴对;②部分光生载流子在体相中迅速复合,未能复合的载流子则迁移到半导体表面，实现光生电子和空穴的分离;③迁移到表面的光生载流子与半导体表面吸附态的水分子反应，实现水的分解。半导体被光激发产生光生电子-空穴对后，电子与空穴的复合和分离迁移过程是半导体光催化剂内部两个重要的竞争过程,直接影响光催化反应效率。光生电荷复合既包括体相复合,也包括表面复合,这两种复合都属于失活过程,不利于光催化分解水反应。因此，实现光生载流子快速传输和有效分离，避免其在半导体体相内或表面上复合，是促进光催化分解水产生H2或 O2的根本途径。值得注意的是，光催化分解水新生成的 H2和O2活性较高，容易在催化剂表面原位发生逆反应而重新化合成水。为了抑制这种表面逆反应和延长光生电子的寿命，通常在光催化反应体系中加入牺牲剂(sacrificial agent，SA)来消耗光生空穴，而光生电子则用来参与光催化分解水产生,的半反应。因此，目前研究最广泛、最深入的还是光催化分解水产氢半反应，涉及的反应式如下:

半导体 +hv→半导体 + h++e-                  (1-21)

h++SA-→氧化的SA                   (1-22)

2H+2e-→H2              (1-23)

    光催化 CO,还原是另一个利用光生电子的光催化还原反应,CO2原可将太阳能转换为高附加值的太阳能燃料，包括 CO 和 CH4、CH3OH、HCOOH、HCHO 等碳氢化合物。每种太阳能燃料都有对应的还原电位,当半导体的导带底比某一种或某些碳氢化合物的还原电位更负时，便可以发生光还原反应生成对应的碳氢化合物。从热力学角度来看，CO2/CH4具有更正的还原电势，而 CO2/HCOOH 则具有更负的还原电势，这就意味着将C0₂还原成 CH4容易，而还原成 HCOOH 最困难。此外，光催化 CO2还原反应过程是一个多电子参与的复杂反应，参加反应的电子数不同，生成的还原产物也不同:

CO2+2H ++2e-→HCOOH              (1-24)

CO2+2H ++2e-→CO + H₂О             (1-25)

CO2+4H++4e-→HCHO+ H₂О            (1-26)

CO2+6H++6e-→H3 OH+ H₂О            (1-27)

CO2+8H++8e-→CH4+2 H₂О             (1-28)

    从还原过程中需要的电子数来看，通过光催化反应将CO,还原成CH需要8个光生电子，而还原成HCOOH 和CO仅需要2个光生电子。从动力学角度看，这又意味着在同等条件下，将 CO₂还原成 CH4比较困难，而还原成 HCOOH 和 CO 则相对容易。因此,研究光催化CO₂还原效率时，一般需要综合考虑热力学因素和动力学因素。光催化CO₂还原反应主要包括四个步骤:①CO₂分子在催化剂表面发生吸附和活化;②在太阳光照射下，半导体吸收能量高于其禁带宽度的光子，使得半导体中产生光生电子-空穴对;③半导体中产生的光生载流子部分在体相中快速复合，而没有复合的载流子则迁移到半导体表面，并实现光生电子和空穴的分离;④半导体表面吸附并活化了的CO₂分子与迁移到半导体表面没有复合的光生电子发生CO₂还原反应。光催化降解污染物是典型的光催化氧化反应。随着工业进程的加快，大量的废水和废气被排入环境中，其中有毒有机物会在人体内富集，严重威胁着人类的健康。而这些有毒的有机化合物通常很难被降解。大量研究表明，有机染料、有机卤化物、农药、表面活性剂、氰化物等难以降解或通过其他方法难以去除的有机污染物可以通过光催化氧化反应有效地降解、脱色和解毒,并最终完全矿化为没有任何污染的 CO₂、H2O及其他无机小分子,从而消除它们对环境的污染。当入射光能量高于半导体光催化剂的禁带宽度时，半导体价带上的电子就会被激发到导带上，同时在价带上形成空穴，即产生光生电子和空穴对。受激发产生的光生空穴具有较强的氧化性，是很好的氧化剂,会将催化剂表面吸附的水或表面羟基氧化成具有强氧化能力的羟基自由基(·OH)，而羟基自由基几乎能氧化所有有机物并使其矿化。通常,光催化降解反应在空气中进行,空气中的氧气可以促进光催化反应,加速反应的进行。这主要是因为氧气可以与光生电子作用生成超氧自由基(·O2-)抑制半导体光催化剂中光生电子和空穴的复合,同时超氧自由基也可以氧化并矿化有机污染物。光催化降解污染物过程中所涉及的反应式如式(1-29)~式(1-34)所示:

半导体+hv-->半导体+h++e-         (1-29)

H2O+h+-->·OH +H+                   (1-30)

OH -+h+-->·OH                (1-31)

O₂+e--->·○2-                   (1-32)

·OH+有机污染物-->CO2+H2O    (1-30)

·○2- +有机污染物-->CO₂+ H2O    (1-30)

 

    光催化杀菌是指利用光催化剂在光照下产生的空穴和活性氧物种将细菌杀死，是一个典型的氧化过程。微生物细胞是由基本元素如C、H、O、N 等构成的化学键组合而形成的有机体生物，这些微生物通过其体内的辅酶 A、细胞壁(膜)及遗传物质 DNA 进行生存和繁殖。半导体在光照条件下产生光生电子和空穴，光生电子与空气中的 O2应生成超氧自由基(·○2-)，同时光生空穴与吸附在半导体表面的水分子或OH-应生成羟基自由基(·OH )，超氧自由基和羟基自由基都具有强氧化性，可以氧化细菌体内的辅酶 A，破坏细菌的细胞壁(膜)和遗传物质 DNA 的结构，从而达到杀菌的效果。与传统的常见抗菌剂相比，半导体光催化剂作为抗菌剂具有抗菌效果持久、使用范围广、耐热性能好、杀菌彻底等优点。同时，光催化技术在杀菌领域具有无毒无味、对皮肤刺激小、安全性较高等优势。因此，选择合适的光催化剂并提高其选择性杀菌能力在杀菌领域具有重要的应用前景。总的来说，光催化技术在众多领域都有着广泛的应用，其光催化机理基本相同，都是利用光激发产生的光生电子或空穴完成相应的氧化还原反应，具有清洁、高效、应用范围广等优点，在环境与能源领域具有很大的应用潜力。

  产品示例： 

  SSC-DPTC双光路光热催化系统，适用于光热协同催化、光催化催化剂的评价及筛选，可用于光催化的反应动力学、反应历程等方面的研究。

   主要应用到高温光热催化反应，光热协同催化，具体可用于半导体材料的合成烧结、催化剂材料的制备、催化剂材料的活性评价、光解水制氢、光解水制氧、二氧化碳还原、气相光催化、甲醛气体的光催化降解、VOCs、NOx、SOx、固氮等领域。

   SSC-DPTC双光路光热催化系统（<5MPa）为一套用于完成催化剂活性评价及筛选的固定床光热反应装置，适用于气体、液体或气液同时进料；气固、液固、气液固反应，能够实现温度、气相流量、液相流量的自动控制，反应温度能够实现程序控制升温（线性升温），通过程序升温设定实验温度的升温时间和保温时间，配合GC等分析仪器对不同压力、温度下的实验产物进行阶段性在线检测分析。