光催化是光化學(xué)和催化科學(xué)的交叉點(diǎn)，一般是指在催化劑參與下的光化學(xué)反應。半導體材料之所以具有光催化特性，是由它的能帶結構所決定。半導體的晶粒內含有能帶結構，其能帶結構通常由一個(gè)充滿(mǎn)電子的低能價(jià)帶（valent-band，VB）和一個(gè)空的高能導帶（conduction band，CB）構成，價(jià)帶和導帶之間由禁帶分開(kāi)，該區域的大小稱(chēng)為禁帶寬度，其能差為帶隙能，半導體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時(shí)，價(jià)帶上的電子被激發(fā)，越過(guò)禁帶進(jìn)入導帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應的空穴，即生成電子/空穴對。由于半導體能帶的不連續性，電子和空穴的壽命較長(cháng)，在電場(chǎng)作用下或通過(guò)擴散的方式運動(dòng)，與吸附在催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應，或者被表面晶格缺陷俘獲?？昭ê碗娮釉诖呋瘎﹥炔炕虮砻嬉部赡苤苯訌秃?。因此半導體光催化關(guān)鍵步驟是：催化劑的光激發(fā)，光生電子和空穴的遷移和俘獲，光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內或表面復合。光催化反應的量子效率低是其難以實(shí)用化為關(guān)鍵的因素。光催化反應的量子效率取決于電子和空穴的復合幾率，而電子和空穴的復合過(guò)程則主要取決于兩個(gè)因素：電子和空穴在催化劑表面的俘獲過(guò)程；表面電荷的遷移過(guò)程。
早期光化學(xué)家認為光是一種特殊的、能夠產(chǎn)生某些反應的試劑。早在1843 年Draper發(fā)現氫與氯在氣相中可發(fā)生光化學(xué)反應。1908年Ciamician利用地中海地區的強烈的陽(yáng)光進(jìn)行各種化合物光化學(xué)反應的研究，只是當時(shí)對反應產(chǎn)物的結構還不能鑒定。到60年代上半葉，已經(jīng)有的有機光化學(xué)反應被發(fā)現。60 年代后期,隨著(zhù)量子化學(xué)在有機化學(xué)中的應用和物理測試手段的突破（主要是激光技術(shù)與電子技術(shù)），光化學(xué)開(kāi)始飛速發(fā)展?，F在，光化學(xué)被理解為分子吸收大約200至700納米范圍內的光，使分子到達電子激發(fā)態(tài)的化學(xué)。由于光是電磁輻射，光化學(xué)研究的是物質(zhì)與光相互作用引起的變化，因此光化學(xué)是化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科。
相應于熱化學(xué)，光催化有機合成反應的特點(diǎn)如下：
1）光是一種非常特殊的生態(tài)學(xué)上清潔的“試劑"；
2）光化學(xué)反應條件一般比熱化學(xué)要溫和；
3）光化學(xué)反應能提供安全的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，因為反應基本上在室溫或低于室溫下進(jìn)行；
4）有機化合物在進(jìn)行光化學(xué)反應時(shí),不需要進(jìn)行基團保護；
5）在常規合成中，可通過(guò)插入一步光化學(xué)反應大大縮短合成路線(xiàn)。 因此，光化學(xué)在合成化學(xué)中，特別是在天然產(chǎn)物、醫藥、香料等精細有機合成中具有特別重要的意義。
光催化的研究方向：
1）水污染治理
隨著(zhù)工業(yè)化和現代化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴重，水污染是其中重中之重。相比傳統水污染治理方法，光催化法綠色環(huán)保、無(wú)二次污染。除了常見(jiàn)的各種染料，如亞甲基藍 (MB)、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等，其他無(wú)色的污染物，比如苯酚、雙酚 A(BPA)，或者各種抗生素農藥等都可以降解掉。此外，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子，如 Cr6+、Pt4+、Au3+ 等還原為低價(jià)離子，減弱其毒性。
2）水分解
傳統的化石能源儲量有限，且燃燒后會(huì )造成溫室效應和環(huán)境污染，如何制造清潔可再生能源是研究熱點(diǎn)。利用光催化將水分解為 H2 和 O2，用氫能源取代化石能源，生態(tài)環(huán)保、成本低。但目前產(chǎn)氫效率還比較低，距離實(shí)際工業(yè)化應用還有很長(cháng)的路要走。
3）CO2 還原
隨著(zhù)大氣中 CO2 濃度不斷增加，溫室效應越發(fā)明顯，*端氣候頻發(fā)，如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問(wèn)題。利用光催化技術(shù)，將 CO2 還原為甲烷、甲醇、甲酸等有機化合物，具有很高的應用價(jià)值。
4）空氣凈化
空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2，NO 等)，硫氧化物(SO2，SO3 等)，各種揮發(fā)性有機化合物(甲苯、苯、二甲苯、*醛、乙醛等)。目前處理空氣污染常見(jiàn)方法為物理吸附或者借助貴金屬降解，物理吸附適用面廣，但只適合于濃度較高污染物；貴金屬降解成本高，且條件苛刻，耗能高，效率低，只適用于有經(jīng)濟條件的工廠(chǎng)。光催化作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)，成本低，適用面廣，顯示出廣闊應用前景。
5）抗菌
抗菌材料分為有機和無(wú)機兩類(lèi)，而有機材料抗菌性弱、耐熱性差、穩定性較差等特點(diǎn)限制了其使用，并逐漸被無(wú)機抗菌材料取代，而負載有銀、銅等金屬離子的無(wú)機殺菌劑能使細胞失去活性，但細菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分，如內毒素。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細菌，還能*降解有毒組分。
6）有機合成
傳統有機合成經(jīng)常使用到有害有毒或者危險試劑，且一些反應條件苛刻，而光催化有機合成反應條件溫和，具備高選擇性，簡(jiǎn)單環(huán)保，成為有機合成研究熱點(diǎn)。目前，光催化在有機合成中的應用有：
(1)醇，胺，烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應；
(2)用親核試劑活化、官能化 α-C-H 鍵以構建新的 C-C 或 C-X(X = O，N 或 S)鍵；
(3)將硝基苯還原成氨基苯或偶氮苯等等。
當然光催化的研究方向絕不止上面提到的這些，比如自清潔、太陽(yáng)能電池等等?？偠灾?，光催化是一個(gè)充滿(mǎn)朝氣與挑戰的領(lǐng)域，其中一些技術(shù)能實(shí)現大規模生產(chǎn)和應用的話(huà)，將對人類(lèi)生活帶來(lái)莫大的改善。
