问题概述：

能源和环境是二十一世纪人类面临和亟待解决的重大问题。光催化以其室温深度反应和可直接利用太阳光作为光源来驱动反应等独特性能而成为一种理想的环境污染治理技术和洁净能源生产技术。光催化受到科学界、政府部门以及企业界的高度重视，投入了大量的资金和研究力量开展光催化基础理论、应用技术开发及工程化研究，使得光催化成为近年来国内外最活跃的研究领域之一。因此，为开发一种有效的光催化体系，高活性、高稳定性的光催化材料是目前研究的热点与重点。目前我国在该领域的基础研究有大量报道，但是真正具有自主产权的应用研究成果较少。

Nature杂志自1972年刊出了关于TiO2电极可在紫外光下分解水的论文后，纳米半导体材料在光催化降解各类污染物方面的研究取得较大进展，在广泛研究的半导体光催化材料中(TiO2、ZnO、ZnSe等)，TiO2由于在紫外光照射下具有强氧化能力、高化学稳定性、低成本和环境友好性等特征，已成为当代半导体光催化技术中核心的光催化材料之一。然而光催化材料在工业化应用中也面临着亟待突破的瓶颈问题。包括如下：（1）在科学问题上：TiO2太阳能利用率低、可见光活性差，由于TiO2的能带（Eg = 3.2eV）决定了其只能吸收紫外光或太阳光中的紫外线部分（而太阳光中紫外辐射仅约占5%）。（2）在技术难题上：在液相反应体系中TiO2光催化剂的分离回收技术以及在气相反应体系中光催化剂的成膜技术等限制了其广泛的应用。

目前，在开发具有可见光响应的光催化材料的基础研究上发展非常迅速并取得了重大进展。例如：(1) 化学改性，通过在TiO2结构中引入金属、非金属来提高其可见光活性，例如贵金属掺杂:贵金属在催化剂界面上形成能俘获电子的浅势陷阱，促进电子–空穴对分离以及界面的电子转移，贵金属沉积或掺杂入TiO2可以作为电子陷阱，提高量子产率。贵金属掺杂还能降低TiO2的带隙能，电子更容易从价带转移到导带，这有利于具有强氧化能力的羟基自由基形成。（2）光催化材料（TiO2、ZnO等）与碳量子点复合，目前碳量子点以其优越的量子尺寸小、量子限域效应、稳定出色的光学特性、良好的水溶性、化学惰性及更好的生物兼容性和环境友好性引发研究学者对其性能及在化学、材料、生物及环境方面应用的广泛研究。碳量子点作为一种上转换发光材料，不仅在近红外到蓝光波长范围内具有可协调的荧光发射，上转换荧光的碳量子点和TiO2结合后在光的照射下，碳量子点可以吸收可见光并且发出波长在325-425nm的短波长光，将可见光向紫外光区转换，激发TiO2形成更多电子-空穴对，从而使碳量子点成为光催化剂的潜在选择。而且，碳量子点作为碳材料的一种，能作为良好的电子导体导走光生电子，抑制光生电子与空穴的复合；（3）氮化碳（C3N4）基光催化材料，氮化碳是近几年来新兴的非金属半导体材料，TiO2光生电子-空穴易复合，而C3N4作为一种新型的非金属半导体材料，具有良好的可见光响应性（禁带宽度约2.7eV）、化学稳定性、有离域共轭π键等优势，在可见光下可高效降解有机污染物和光解水制氢等。（4）TiO2与二维的石墨烯复合，由于石墨烯优异的性能，石墨烯/TiO2纳米复合材料可以吸收可见光，以及可以延长光生电子-空穴的分离时间，石墨烯/TiO2复合材料作为光催化剂在污水处理领域很有前途，具有吸附能力强、光催化活性高和对可见光敏感性强等优点。近几年来有很多学者的研究关于石墨烯/TiO2复合材料：清华大学的Hao Zhang 等（Acs Nano, 2010, 4: 112-118）制备了 P25/石墨烯复合材料，P25 粒子负载在石墨烯薄片上，增强了复合材料的染料吸附能力，扩大了光的吸收范围。中科院的王祥科等（Applied Catalysis B-Environmental, 2012, 111: 303-308）合成了能吸收可见光的石墨烯-TiO2可见光光催化剂。新加坡南洋理工的 Jincheng Liu(Advanced Functional Materials, 2010, 20(23): 4175-4181)等制备了氧化石墨烯/TiO2纳米棒复合材料，对降解甲基蓝具有优异的光催化活性。中科院长春应化所 Sun L等(Nanoscale,2012, 4: 613-620)采用溶剂热法制备了（001）晶面主导的锐钛型TiO2/石墨烯复合材料，将光的吸收区域扩展到可见光范围内。美国德州理工大学的Pengyu Dong（Nanoscale, 2012, 4: 4641-4649 ）等通过水热法制备了石墨烯/棒状二氧化钛复合材料，和石墨烯/球形二氧化钛以及商业二氧化钛（P25）相比，对光催化降解甲基橙有显著增强作用。

尽管在提高可见光光催化活性的基础研究上已取得较大进展与突破，我们在实际应用中仍面临着一些关键的技术难点。例如（1）制备方法是否适合工业化生产（包括成本、能耗、环保、产率、技术可操作性、稳定性等问题），在实际放大生产过程中，制备条件并不能像实验室条件可控以及稳定，会存在很多不可控的因素，因此开发一种可行的、稳定的制备方法是一大挑战；（2）光催化剂效率以及寿命问题，尽管目前在实验室条件下合成的可见光光催化剂的效率相对较高，但是真正在实际生产应用中催化剂效率可能并没有那么理想，并且也易于失活，原因：活性组分受某些外来成分的作用(中毒)而失去活性或者活性组分被覆盖。（3）光催化剂的普适性差，催化剂可能仅对1种或2种污染物有作用。（4）催化剂氧化的彻底性，我们的目的是催化剂能将有机污染物最终转变为无污染的CO2和H2O，如果催化剂氧化不彻底，可能会转换为有机物的中间体，这不是我们需要的。

8、重要意义：

光催化材料在众多领域具有广阔的应用前景和重大的社会、经济效益，并且带动了其他应用领域的发展。

（1）洁净能源：光催化材料借助绿色环保丰富的太阳光，在电极上可产氢产氧，能部分缓解我们的能源危机和环境危机问题。

（2）空气、水净化：光催化材料可利用其催化氧化功能将多种有机污染物（有机染料、空气污染物甲醛、甲苯、VOC等）分解为无害的水和二氧化碳。例如，近年来光催化技术在降低纸浆造纸废水的毒性和色度方面的优势越来越为人们所关注，高稳定以及高光催化活性的TiO2光催化剂在紫外光诱导下可产生具有强氧化性的羟基自由基，将难降解的木素迅速矿化，从而达到排放标准。

（3）建筑材料：随着人们生活质量的提高和健康意识的提升，光催化功能材料已在建筑领域中应用，包括光催化清洁抗雾玻璃、光催化自清洁抗菌陶瓷、光催化环保涂料等的研发与应用，大大提高人们的生活质量。

（4）其他：包括医疗卫生、纺织工业、汽车工业、国防军事等领域都有涉及。