光電催化的基本原理涉及光輻照與電解液接觸的半導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在半導(dǎo)體/電解液界面電場(chǎng)的作用下與溶液中離子發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。以下是該原理的詳細(xì)解釋：

　　一、光吸收和電子激發(fā)

　　當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，光子的能量被半導(dǎo)體材料吸收，使得材料中的電子獲得足夠的能量，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中留下等量的空穴。這個(gè)過程產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，為后續(xù)的氧化還原反應(yīng)提供了必要的反應(yīng)物。

　　二、電荷分離和遷移

　　在半導(dǎo)體內(nèi)部，電子和空穴容易復(fù)合，但通過材料設(shè)計(jì)或在半導(dǎo)體表面施加外部電場(chǎng)，可以有效地將電子和空穴分離，防止它們重新結(jié)合。分離后的電子和空穴會(huì)遷移到催化劑的表面，為與吸附在表面的反應(yīng)物發(fā)生氧化還原反應(yīng)做好準(zhǔn)備。

　　三、反應(yīng)活性位點(diǎn)

　　半導(dǎo)體材料的表面具有催化活性位點(diǎn)，這些位點(diǎn)可以吸附反應(yīng)物分子，如水、有機(jī)污染物等。吸附在表面的分子與電子或空穴相互作用，參與氧化還原反應(yīng)。

　　四、氧化還原反應(yīng)

　　在催化劑表面，光生電子和空穴分別作為還原劑和氧化劑參與反應(yīng)。例如，在水分解反應(yīng)中，電子還原水生成氫氣，空穴氧化水生成氧氣。在有機(jī)污染物降解中，空穴可以氧化有機(jī)分子，而電子則與溶解氧或其他氧化劑反應(yīng)，完成整個(gè)氧化還原循環(huán)。

　　光電催化技術(shù)通過利用光能激發(fā)半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并驅(qū)動(dòng)氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能的有效利用和化學(xué)反應(yīng)的催化。這一技術(shù)不僅具有高效、綠色、可持續(xù)的特點(diǎn)，還在環(huán)境保護(hù)、能源轉(zhuǎn)換和工業(yè)化工等領(lǐng)域顯示出巨大潛力。