光电催化原理与应用

《光电催化原理与应用》聚焦光电催化领域的核心理论与实践应用，以“基础奠基—技术核心—应用拓展”为逻辑脉络，系统梳理了光电催化的基础原理、光电极制备工艺与表面调控策略，并深入剖析光电催化分解水、二氧化碳还原、氮还原和高价值化学品合成四大关键应用体系。本书从光科学本源、太阳能资源特性，到光电极的制备方法与性能优化手段，再到各应用体系的反应机制、效率评价及未来展望，全面覆盖光电催化领域的核心知识点与前沿进展。
本书适用场景多元，既可供企业、科研院所中投身光电催化研究与生产工作的科技人员参考，也能作为高等院校相关专业师生的教育与学习资料。

刘胜，中山大学化学工程与技术学院副教授，理学博士，主要从事化学工程（含材料化工）学科方向能源转化与存储领域的研究工作，在国际期刊包括Angew.Chem.Int.Ed.、J.Mater.Chem.A、ACSAppl.Mater.Inter.、Chem.Eng.J.和Adv.ElectronicMater.等发表学术论文20余篇。

第1章 光电催化基础 1
1.1 光科学 1
1.1.1 光学溯源 1
1.1.2 光的本质 2
1.1.3 光科学的意义 4
1.2 太阳能资源 5
1.2.1 太阳能驱动的地球生命史 5
1.2.2 太阳能及其光谱特性 6
1.2.3 太阳能资源及其地理分布 7
1.2.4 太阳能的特点及转化途径 8
1.3 光电化学装置 9
1.3.1 整体式光电化学电池 9
1.3.2 电极分离式光电化学电池 10
1.3.3 光伏-电解池 11
参考文献 13

第2章 光电极制备工艺 14
2.1 非原位制备光催化剂工艺 14
2.1.1 滴涂法和旋涂法 14
2.1.2 刮涂法 15
2.1.3 手指擦拭法和颗粒转移法 17
2.1.4 真空过滤转移法 17
2.1.5 喷雾热解法18
2.2 原位制备光催化剂工艺 18
2.2.1 电化学沉积法 18
2.2.2 水热/溶剂热法 19
2.2.3 化学气相沉积法 19
参考文献 20

第3章 光电极表面调控策略 21
3.1 光电极表面助剂修饰 23
3.1.1 单原子催化剂 23
3.1.2 原子团簇 25
3.1.3 量子点 26
3.1.4 MXene 27
3.1.5 分子催化剂 27
3.1.6 聚合物 28
3.1.7 金属有机框架 29
3.1.8 等离子体纳米颗粒 30
3.2 光电极表面活化 31
3.2.1 湿化学活化 31
3.2.2 光辐照活化、电化学活化、等离子体活化和超声活化 32
3.2.3 热处理活化 33
参考文献 34

第4章 光电催化分解水体系 38
4.1 水分解催化反应动力学 39
4.2 光电催化分解水基础 42
4.3 光电催化分解水效率评价指标 44
4.4 光电极电荷分离基础 47
4.4.1 异质结 48
4.4.2 同质结 54
4.5 展望 61
参考文献 63

第5章 光电催化二氧化碳还原体系 66
5.1 CO2 还原反应基础 67
5.1.1 CO2 活化 67
5.1.2 CO2 还原过程的热力学和动力学 67
5.1.3 CO2 还原路径 69
5.1.4 CO2 分子的对称性 71
5.1.5 光电化学CO2 还原机理 72
5.1.6 用于评估光电化学CO2 还原效率的参数 74
5.2 光阴极驱动体系 75
5.3 光阳极驱动系统 81
5.4 光阳极和光阴极耦合系统 86
5.5 光伏电池串联系统 87
5.6 光电催化CO2 还原中选择性的调控 90
5.7 光电催化CO2 还原中的空位工程 94
5.8 展望 94
参考文献 95

第6章 光电催化氮还原体系 100
6.1 光电催化氮还原基础 101
6.1.1 光电催化氮还原基本原理 101
6.1.2 光电催化氮还原效率评价指标 103
6.1.3 氨的氮源检测与定量分析 105
6.1.4 光电催化氮还原的挑战 107
6.2 光电催化氮气还原制氨光阴极材料 108
6.2.1 氧化物光阴极 108
6.2.2 硫化物和硒化物光阴极 112
6.2.3 黑硅和黑磷光阴极 113
6.3 光电催化硝酸盐还原制氨光阴极材料 115
6.4 展望 121
参考文献 123

第7章 光电催化合成高价值化学品 126
7.1 光阳极催化甘油氧化 127
7.2 光阳极催化呋喃基原料氧化 131
7.3 光阳极催化苯甲醇氧化 134
7.4 光阳极催化其他化学品合成 135
7.5 光阴极催化过氧化氢合成 140
7.6 光电催化C—C/C—H 键活化与官能团化 144
7.7 展望 147
参考文献 148