光催化是利用光來(lái)激發(fā)二氧化鈦等化合物半導(dǎo)體，利用它們產(chǎn)生的電子和空穴來(lái)參加氧化—還原反應(yīng)。當(dāng)能量大于或等于能隙的光照射到半導(dǎo)體納米粒子上時(shí)，其價(jià)帶中的電子將被激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶上留下相對(duì)穩(wěn)定的空穴，從而形成電子—空穴對(duì)。由于納米材料中存在的缺陷和懸鍵，這些缺陷和懸鍵能俘獲電子或空穴并阻止電子和空穴的重新復(fù)合。這些被俘獲的電子和空穴分別擴(kuò)散到微粒的表面，從而產(chǎn)生了強(qiáng)烈的氧化還原勢(shì)。
光催化性能主要受光催化劑材料本身以及光催化反應(yīng)條件兩方面的影響。材料方面影響因素有材料本身能帶結(jié)構(gòu)、形貌、缺陷、尺寸等，反應(yīng)條件主要包括光源和pH值等。
1. 催化劑能帶結(jié)構(gòu)
光催化核心的概念是光催化劑吸收光能后，產(chǎn)生具有還原能力的電子e-和具備氧化能力的空穴h+，e-和h+再將接觸到的其他物質(zhì)(H2O、污染物、重金屬離子、CO2等)還原、氧化掉。當(dāng)然，光催化劑的氧化還原能力是有其限制的，光催化劑的氧化還原能力取決于其導(dǎo)帶、價(jià)帶位置，導(dǎo)帶越負(fù)，還原能力越強(qiáng)；價(jià)帶越正，氧化能力越強(qiáng)。
2. 催化劑形貌
催化劑由于制備方法、反應(yīng)時(shí)間、溫度等不同會(huì)得到不同的形貌，例如花狀、球狀、片狀等等。形貌不同，比表面積不同，與反應(yīng)物接觸面積也不同。一般來(lái)講，比表面積越大，吸附性能越好，催化性能也越好，但現(xiàn)在很多文獻(xiàn)有講，光催化劑催化性能與比表面積并沒(méi)有必然聯(lián)系。
3. 晶面
光催化反應(yīng)發(fā)生在半導(dǎo)體表面，因而半導(dǎo)體表面表面原子結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑催化性能有很大影響。催化劑不同晶面具有不同的原子排列和結(jié)構(gòu)，會(huì)表現(xiàn)出不同的催化性能，可以通過(guò)調(diào)控催化劑晶面來(lái)提高其催化性能。如Dan Wu等發(fā)現(xiàn){001}晶面占主體的BiOBr比{010}晶面占主體的BiOBr在使細(xì)菌失活方面表現(xiàn)出更好的光催化性能。
4. 催化劑尺寸
光催化劑粒徑尺寸與其催化性能息息相關(guān)。當(dāng)催化劑尺寸達(dá)到納米級(jí)后，存在量子尺寸效應(yīng)，并且隨著尺寸的減小，半導(dǎo)體的禁帶寬度變大，氧化還原能力變強(qiáng)。同時(shí)，尺寸變小，電子空穴對(duì)到達(dá)催化劑表面時(shí)間越短，能越快與吸附在催化劑表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。但同時(shí)需要考慮的是，尺寸越小，禁帶寬度越大，對(duì)光的吸收能力也就越弱。以g-C3N4為例，雙氰胺、三聚氰胺等直接高溫?zé)鰜?lái)的g-C3N4尺寸較大，催化性能并不好，ShubinYang等將粗品g-C3N4剝離為納米片狀，大大提升了其光催化性能。
5. 催化劑晶型結(jié)構(gòu)
晶型結(jié)構(gòu)對(duì)催化性能影響典型代表莫過(guò)于TiO2了，TiO2有三種晶型結(jié)構(gòu)-銳鈦礦型、金紅石型以及板鈦礦型，常見(jiàn)的為銳鈦礦型和金紅石型，晶型結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致它們具有不同的禁帶寬度，金紅石型TiO2 3.0 eV，銳鈦礦型TiO2 3.2eV，并且相較于金紅石型TiO2，銳鈦礦型TiO2具有更大的比表面積，更多的晶格缺陷，對(duì)電子的捕獲能力也更強(qiáng)，有利于電子空穴對(duì)的分離，從而具備更強(qiáng)的光催化性能。
6. 催化劑缺陷
缺陷對(duì)半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)、光吸收性能、表面吸附性能等都有影響。缺陷會(huì)在半導(dǎo)體能帶中引入新的能級(jí)，從而增強(qiáng)對(duì)光的吸收能力；可以增強(qiáng)對(duì)H2O和O2、CO2等的吸附，可以生成更多的活性自由基或者將CO2還原；除此之外，缺陷可以作為電子捕獲中心，有利于電子空穴對(duì)的分離。
7. pH
pH對(duì)光催化性能影響明顯的莫過(guò)于染料降解了，不同染料在溶液中pH不同，染料所帶電荷與催化劑表面電荷的同異將直接影響吸附性能，進(jìn)而影響到后續(xù)的催化降解。如S.Sakthivel等提到TiO2(Degussa P25) 的零電荷點(diǎn)為6.8，ZnO 零電荷點(diǎn)為9.0±0.3，零電荷點(diǎn)以下，催化劑帶正電，反之，帶負(fù)電，當(dāng)染料與催化劑帶電相反，就會(huì)由于靜電作用，有更多染料吸附在催化劑上，利于催化降解。除此之外，堿性條件下，溶液中有更多的OH-，更利于形成·OH，從而對(duì)催化性能造成影響。
8. 光源
光源對(duì)催化性能影響主要體現(xiàn)在光照波長(zhǎng)與光照強(qiáng)度兩個(gè)因素。光照波長(zhǎng)很好理解，比如汞燈/紫外燈和氙燈，汞燈發(fā)射光線主要為紫外線，而氙燈模擬太陽(yáng)光，主要是可見(jiàn)光，TiO2只有在紫外線下才能被激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，才會(huì)有較好的光催化性能。而光強(qiáng)對(duì)催化性能的影響結(jié)合高中物理知識(shí)就可以理解，光催化反應(yīng)中，受光照激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)的催化劑是有限的，光強(qiáng)較弱時(shí)，隨光強(qiáng)增強(qiáng)，有更多催化劑加入反應(yīng)，但當(dāng)光強(qiáng)增強(qiáng)到一定值，沒(méi)有多余催化劑產(chǎn)生電子空穴對(duì)，對(duì)催化性能幾乎沒(méi)影響。與之相反，光強(qiáng)過(guò)強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度升高，造成催化劑團(tuán)聚，反而降低催化性能。
