光催化：机理、材料与测量

光催化通过光在不被自身消耗的半导体存在下加速化学反应。具有足够能量的紫外或可见光子在光催化剂中产生电子-空穴对——最常见的是二氧化钛（TiO2）、氧化锌（ZnO），或越来越多地采用可见光响应材料，如氮化碳（g-C3N4）——这些电子-空穴对在表面形成活性氧物种，从而分解有机污染物、微生物或水中溶解成分。其技术目标是实现可重复、高能效的光催化活性，用于空气净化、水处理、自清洁表面或光催化制氢。决定结果的并非灯的电气功率，而是实际到达催化剂的光谱辐照度——光子通量由此而来，只有基于光子通量才能计算光子效率和量子产率。

增长主要受室内空气质量法规驱动的需求、自清洁与空气净化外墙及路面材料建筑规范，以及针对持久性有机污染物的水处理应用扩大所推动。这种增长使价值重心从单纯的材料销售转向经过测试和认证的系统——光催化性能必须依照标准进行验证，而不能仅凭宣称。这一点适用于所有三个面向产品的价值阶段——原材料与粉末、涂层与建筑产品，以及设备；而在研究领域（制氢、CO2还原），决定新材料是否真正取得进步的则是基于光子的量子产率。因此，能够在光催化反应发生位置（而非灯源处）捕捉光子通量和辐照度的标准化测试方法和测量技术，比以往任何时候都更为直接重要。

四项发展决定了光催化技术未来的走向：

• 从汞灯向紫外A LED阵列的转变，应用于测试和生产设备。光谱从宽线状/连续光谱转向窄带光谱；以汞灯测得的旧有AQY值若不经重新表征，无法直接用于基于LED的测试装置。
• 可见光活性光催化剂的开发。掺杂型TiO2变体、g-C3N4异质结以及Z型体系将可利用的激发范围拓展至可见光区。仅限紫外的辐射计已不足以进行完整表征；涵盖紫外和可见光范围的光谱测量以及模拟太阳光的测试条件的重要性日益提升。
• 标准化的持续推进。ISO 10678的更新以及诸如EN 16845-1等补充测试方法，提高了已发表光催化活性数值之间的可比性。只有在同时记录光子通量测定方法的情况下，才能真正实现可比性。
• 光催化制氢与太阳能燃料研究。较新的基于卤氧化物及异质结构的光催化剂在实验室规模下量子产率不断提高。从实验室规模迈向中试规模需要重新进行光学表征，因为光程长度和自遮蔽情况会发生变化。

该应用领域的市场规模、增长率及相关来源汇总于紫外技术的市场发展页面。

半导体上的光催化依赖于电子跨越带隙的激发。当吸收的光子能量至少等于带隙能量E_g时，一个电子会从价带跃迁到导带，留下一个带正电的"空穴"（h⁺）。这个电子-空穴对既可能无辐射地复合——在这种情况下，激发能量被耗散而不产生化学效应——也可能迁移到表面并在那里引发氧化还原反应：空穴将水或氢氧根离子氧化为羟基自由基（•OH），这是水系中最具反应性的氧化剂之一，而电子则将吸附的氧还原为超氧自由基阴离子（O2•⁻）。这两种自由基，连同直接具有氧化作用的空穴，共同分解有机分子、微生物和无机污染物。这一过程的速率取决于电荷分离与复合之间的竞争，而这又取决于晶体结构、缺陷密度、掺杂、表面态，以及在异质结中两种半导体之间的能带排列。

光催化并非一个独立的产业，而是一项横跨材料科学、环境工程和能源技术的跨领域技术。二氧化钛（TiO2）因其化学性质稳定、无毒且成本低廉，至今仍占主导地位；其三种天然晶相——锐钛矿、金红石和板钛矿——具有不同的带隙，因此激发波长也各不相同。氧化锌（ZnO）在光谱位置上与之相近，但在潮湿或酸性条件下的长期稳定性较低。为实现可见光激发，氮化碳（g-C3N4）、氮或碳掺杂的TiO2、等离子体共催化剂以及Z型异质结正逐渐受到重视，因为它们能改善电荷分离并将吸收范围拓展至可见光谱。

测试和加工中使用五类光源，它们在光谱纯度和应用范围上差异显著。UV-A荧光灯（"黑光"灯管）提供成熟的365 nm附近发射带，但其荧光粉会老化且含汞；中压汞灯以宽连续谱同时提供高强度的紫外和可见光输出，代价是热负荷较高。365 nm、385 nm或395 nm的UV-A LED属于窄谱发射（半高宽通常为10～15 nm），不含汞、切换迅速，并能实现稳定的剂量控制——不过其发射峰值会随温度变化，且无法覆盖可见光活性材料的需求。对于可见光活性和太阳能驱动系统而言，配备AM1.5滤光片的氙灯太阳光模拟器作为更贴近太阳光连续光谱的测试光源更为真实。白光LED和荧光灯管是适用于室内应用的简单、低成本测试光源，但对于紫外活性参比材料而言，其紫外含量往往不足。

光催化性能并非由单一数值决定，而是由多个必须分别测定的物理和化学变量相互作用而成。起点是催化剂处的光谱辐照度（mW/(cm²·nm)）：只有高于带隙能量的部分才能产生电子-空穴对，其余部分虽然计入总辐射功率，但对反应没有贡献。由此得出光子通量（mol/(s·m²)或photons/(s·cm²)）——化学转化取决于光子数量，而非功率，两个功率相同但波长不同的光源所提供的光子通量并不相同。带隙能量和吸收边（eV或nm）决定了光源光谱中哪一部分可被利用；吸收边仅偏移零点几个电子伏特，就会决定材料是紫外光活性还是可见光活性。表观量子产率（AQY，无量纲，通常以百分比表示）描述的是入射光子中实际触发有效反应的比例——它并非材料常数，而是取决于浓度、反应器几何形状和光强。

催化剂负载量或有效表面积（g/L或m²/m²）也决定了在辐射离开反应器之前能被吸收的量——负载量过高时，穿透深度会下降，部分催化剂因而未被照射到。氧含量和传质（mg/L或mol/(m²·s)）在辐射充足的情况下也会限制反应，因为一旦常见的电子受体——氧——补充速度不够快，反应便会受限。在液体中，辐照度会按照Beer-Lambert定律随光程呈指数下降；颗粒散射或浊度（NTU）会进一步缩短有效可利用的反应区域。最后，温度会影响吸附平衡、反应动力学，并在某些体系中影响电荷载流子的复合速率。

电气灯功率并非光学工艺参数。诸如"100 W紫外灯"这样的说法既未说明可用光谱成分，也未说明实际到达催化剂的比例。真正有意义的只是反应位点处的光谱辐照度以及由其推导出的光子通量。

量子产率与表观量子产率经常被混淆。"真实"量子产率是指被吸收的光子数量；在散射悬浮液或不透明层中，这一数值实际上几乎无法直接测量。因此在实践中，通常报告的是表观量子产率（AQY），它是指入射光子的数量。两项材料相同但反应器几何结构和辐照度不同的研究，可能报告出明显不同的AQY值，而材料本身并无差异。由此也可推知，在反应器壁处或比色皿外测得的辐照度只是一个上限，而并非实际可用光子通量的平衡值——反射、吸收、颗粒散射以及反应器壁的遮挡，都会使光子从灯管出口到催化剂表面之间的辐照度发生变化。

互易律在光催化中只在有限范围内成立：在低辐照度下，反应速率大致随光子通量成比例上升，但随着辐照度增加，光生载流子密度也随之上升，使复合速率不成比例地增长，表观量子产率随之下降——因此将灯功率提高一倍，通常带来的反应速率提升远小于一倍，而提高光子通量也并非总是最简单的解决方案，因为它同时也会提高催化剂的热负荷。因此，单纯的时间数值同样不是可转移的工艺参数：降解时间只有在装置配置不变的情况下才具有可重复性，而一旦灯管、距离、反应器几何结构或催化剂负载量发生变化，有效光子通量就会随之改变，而所述时间本身却无法体现这一点。晶相与结晶度往往被低估：商用TiO2通常是混合相材料，各相之间的复合行为存在差异，其光催化活性并非各相活性的简单加和，而是取决于各相之间界面的质量。

仪器本身也会带来误差：针对某一类光源校准的传感器，用于窄带LED时会显示出额外的误差。相关背景请参见紫外传感器的光谱失配与紫外传感器的选型。

悬浮型催化剂和固定化催化剂存在不同的测量问题。悬浮液具有较大的活性表面，但会使分离和光传输复杂化：随着粒子浓度升高，穿透深度下降，越来越多的辐射会在最靠近窗口的液层中被消耗。

固定在玻璃、膜或多孔载体上的薄膜更易于操作，也更易于进行光学描述，因为活性面积是已知的。相应地，较小的活性表面和传质会限制反应速率。在比较这两种方法时，以活性面积为基准的辐照度比任何以反应器体积为基准的数值更为合理。

光催化实验在差异很大的几何结构中进行：在涂层玻璃上、悬浮液中、膜上、连续流反应器中、多孔载体上或微反应器中。因此，在反应器外部测得的读数并不能自动反映反应体积内部的条件——反射、吸收、散射和遮挡都会改变可利用的光量。

对于平面样品而言，辐照场的均匀性决定了同一样品的每个部位是否都能获得相同的剂量。在液体中，还需加上沿光路的衰减，且该衰减与波长有关。因此，比较性研究应记录工作距离、样品高度，并在较大面积上记录空间网格。正是这些因素，才能将灯具设置转化为可重复的光学边界条件。

光催化剂并没有一个陡峭的阈值波长，而是具有一定坡度的吸收边。缺陷、掺杂和氧空位会产生额外的中间态，即使在标称带隙能量以下也会产生通常较弱的吸收。商用TiO2（如P25）是一种锐钛矿-金红石混合相材料，其有效吸收边约为387 nm；纯锐钛矿相和纯金红石相与此相差数纳米。对于掺杂TiO2或g-C3N4等可见光活性材料而言，吸收边会明显移向可见光范围，因此仅测量紫外波段已无法完全反映可实际利用的激发范围——这也是此类材料所用测试光源和测量设备需要同时覆盖紫外和可见光范围的原因之一。

光催化剂的带隙是一个阈值，而非效率。低于带隙能量的光子实际上无法将其激发。该极限直接由带隙能量决定：

λ_edge [nm] = 1240 / E_g [eV]

对于锐钛矿型TiO₂，带隙为3.2 eV，由此得出388 nm。超过该波长后便不再产生任何效应：在锐钛矿上，400 nm处100 W/m²的辐照度不会产生任何电荷载流子，而365 nm处1 W/m²却可以。这就是为什么常见的紫外LED波长为365和385 nm——接近边界，却安全地低于该阈值。

由此阈值可得出一条在选择光源时常被忽视的规则：只有吸收边以下的光谱部分才有效。一支将80%辐射功率发射在可见光范围内的灯，对锐钛矿而言有80%是无用的——催化剂只能利用剩余的20%。

波长更短也并不能带来成比例的增益。短波光子的多余能量并不会转化为更多的电荷载流子，而是以热量形式释放：254 nm处的一个光子与365 nm处的光子产生相同数量的单个电子-空穴对，却消耗更多能量，并带来副作用——200 nm以下会产生臭氧，并加速基材和密封件的老化。

因此需要测量的量并非灯的功率，而是催化剂处的光谱辐照度，并对其积分至吸收边为止。常见紫外光源的实测光谱可在光谱数据库中查阅；将相关光谱与您自己的材料叠加对比，比任何数据表数值都能更快地回答选型问题。

就实验装置而言，这意味着：365 nm或385 nm的紫外LED光源几乎将全部输出都集中在激发范围内。BSL系列紫外LED辐照箱可在样品区域内提供限定的辐照度和剂量控制——这是两次试验具有可比性的前提条件。测量应采用光谱方式，使用UVpad E，因为宽带传感器在窄带LED下会产生系统性偏差。

这两种工艺最终都生成同一种活性物种——羟基自由基 OH•，即水处理中实际可用的最强氧化剂。区别在于生成路径，而这也决定了各自适用的场景。

• 光催化在界面处生成自由基：光子在半导体中分离出一对电子-空穴，空穴将吸附的水或氢氧根氧化为OH•。反应发生在催化剂所在的位置——即表面上，或悬浮液中颗粒的表面上。
• 紫外线（UVC）结合臭氧的高级氧化工艺（AOP）在整体介质中生成自由基：185 nm使氧气分解并生成臭氧，254 nm再次分解臭氧——总体而言，OH•会在整个被辐照的液相或气相中生成，无需催化剂，也不依赖表面。

由此带来的实际影响是：当本身存在表面并需要发挥作用时，光催化更具优势——例如自清洁涂层、空气净化中带涂层的蜂窝体、流动体系中的固定化催化剂。而当需要快速处理某一体积介质、且没有可用表面时，AOP则更具优势。这两种工艺之间的竞争其实并不像文献中所描述的那样频繁；它们适用于不同的几何结构场景。

UVC臭氧页面详细介绍了第二条路径：利用UVC与臭氧进行表面清洁与表面活化，并配有用于实验室规模试验的BS-OX腔体。

带隙能。由 E_g = h · c / λ_g 可得出阈值波长 λ_g，当光子波长低于该值时，其能量足以使电子跃迁越过带隙。对于 E_g ≈ 3.2 eV 的锐钛矿型 TiO2，λ_g ≈ 387 nm；对于 E_g ≈ 3.0 eV 的金红石型，阈值波长更长，约为 410～413 nm。波长更长的光子无论数量多少，都无法促成激发。

光子通量。光谱光子通量可由光谱辐照度 E(λ) 通过 N_Ph(λ) = E(λ) · λ / (h · c) 求得。只有对材料实际吸收的光谱范围进行积分，才能得到与反应相关的光子通量——而非以宽波段测得的总辐照度。

表观量子产率（AQY）。根据 IUPAC 的定义，量子产率是指定事件数与吸收光子数之比；更常用的表观量子产率则以入射光子数为基准：AQY =（转化的分子数或载流子事件数）/（入射光子数）。不同研究之间要进行有意义的比较，前提是入射光子通量采用相同的方法测定——例如通过化学计量法或经校准的辐射计。光子效率是一个相关但不同的相对量，它并不给出绝对的量子产率，而只能在相同实验条件下进行比较。

模型的局限性。这两个量均假设在所研究的范围内，反应速率与光子通量大致成正比。在高辐照度下、扩散受限的反应中，或产物逆反应显著时，该假设不再成立；此时 AQY 本身会成为与光强相关的量，若不注明所用辐照度，就无法进行迁移比较。

假设条件。某光反应器采用波长为365 nm的单色UV-A LED运行；经测定，催化剂表面的光谱辐照度为5 mW/cm²（= 50 W/m²）。对于所使用的TiO2光催化剂，假设表观量子产率为1%，这与已发表数据的数量级一致。受照的有效催化剂面积为25 cm²。

模型。光子能量 E_Ph = h · c / λ；光子通量 N_Ph = E / E_Ph；反应速率 r = AQY · N_Ph · A。

计算。365 nm处的光子能量为5.44 · 10⁻¹⁹ J（相当于3.40 eV，或328 kJ/mol）。计算得出光子通量 N_Ph = 50 W/m² / 5.44 · 10⁻¹⁹ J ≈ 9.2 · 10¹⁹ 光子/(s·m²)，约合153 µmol/(s·m²)。当AQY = 1%时，转化事件速率约为1.5 µmol/(s·m²)。折算到25 cm²（2.5 · 10⁻³ m²）的有效面积，总体速率约为3.8 nmol/s，相当于每小时约14 µmol。

结果解读。实际可利用的反应速率并非由灯的功率决定，而是由光子通量与表观量子产率的乘积决定。若某灯的电功率翻倍但发射光谱不变，即所谓"更强"的灯，其光子通量大致也会翻倍——但若AQY在更高辐照度下下降，反应速率不一定会翻倍。这一计算也说明了为何只有在入射光子通量的测定方法一致的情况下，已发表的AQY数值才具有可比性。

使用您自己的数据计算光子通量：进入样品的辐射功率和波长可得出每秒光子数和每秒微摩尔数——这是任何量子产率的基准量。

环境技术与室内空气质量。光催化空气净化器和涂层滤网可分解挥发性有机化合物、异味，部分还可分解氮氧化物。此处关键在于气流体积内的辐照度，因为气流与受光照的催化剂表面之间的接触时间很短。

建筑与幕墙技术。玻璃和抹灰层上的自清洁涂层，以及用于降低城市街道峡谷中NOx浓度的光催化活性铺路石，都依赖自然日光。关键在于在真实的、通常是漫射的太阳辐射条件下的光催化活性，因此测试标准采用规定的UV-A辐照度，而非不明确的"阳光"。

水与废水处理技术。在膜反应器或流通式系统中光催化分解持久性有机污染物、药物残留和微生物。此处关键在于光程长度、浊度以及辐照在整个流动体积中的均匀性。

纺织品与消费品。具有光催化自清洁与抗菌功能的纺织品涂层。关键在于在室内或日常光照条件下的激活效果，这些条件通常远弱于实验室测试条件。

能源技术与研究。光催化制氢与CO2还原作为太阳能燃料生成的途径。关键在于在规定的、通常是模拟太阳光谱下精确测定量子产率，因为只有这样才能将真正的材料进步与测量误差区分开来。

医疗技术与卫生。具有光催化活性的表面，有时与UV-C结合使用，以降低室内微生物负荷。关键在于将光催化的贡献与纯粹的UV光解作用区分开来，因为这两种机制常常同时存在。

• 可见光响应材料。掺杂型TiO2、g-C3N4以及Z型异质结需要同时覆盖紫外和可见光范围的光谱才能进行真实测试——通常需要配备AM1.5滤光片的太阳光模拟器，而不是仅紫外A（UV-A）光源。
• 用于空气净化的气相反应器。整体式或蜂窝结构载体可增加单位体积的活性表面积，但需要在整个通道结构中实现均匀辐照；在反应器外部进行的单点测量无法反映这种分布。
• 连续运行的光反应器。在膜式和流通式反应器中，每个体积单元所接受的有效剂量取决于停留时间分布；只有在了解流动特性的情况下，在反应器壁上测得的辐照度才能描述该分布。
• 用于制氢的中试规模。从实验室反应器放大到中试规模时，光程长度和催化剂的自遮蔽会发生变化；在小型反应器中测得的量子产率无法直接套用，需重新表征。

测量任务取决于具体的测试或研发问题。对于材料表征和催化剂比较，目标参数是反应位点处的光子通量，由此可计算出表观量子产率。对于已确定工艺的质量保证——例如自清洁涂层生产线或空气净化器——目标参数则是催化剂处保持恒定且在公差范围内的辐照度。

多项国际和欧洲标准对此规定了明确的测试条件：ISO 22197系列描述了在规定辐照度下连续UV-A辐照条件下光催化材料空气净化性能的测试方法；ISO 10678规定了通过水溶液中亚甲基蓝降解来测定表面光催化活性的方法；EN 16845-1通过基于所施加染料褪色的固/固方法，将其扩展到不透明材料；ISO 10676通过活性氧的生成来描述光催化水处理性能；DIN EN 17120则通过悬浮液中苯酚降解，定义了粉末状光催化材料水处理性能的测试方法。所有这些标准都要求在样品表面记录经过文档化的、通常是UV-A专用的辐照度——而非灯的功率标称值。有关UV测试标准的更全面概览，请参见紫外线领域的指南、规范与标准。

在以下情况下需要进行光谱测量：首次表征测试光源时、比较紫外活性材料与可见光活性材料时、使用太阳光模拟器时，或使用光化学法测定绝对光子通量时；而对于已完成光谱表征且未发生变化的装置，进行持续控制时使用宽波段测量即可。对于大面积样品、蜂窝结构反应器或流动分布不均匀的流动系统，则需要进行空间分辨测量；而对于脉冲LED运行方式，以及测试过程中灯老化或窗口污染变得显著的情况，则需要进行时间分辨测量。

对于工业应用——批量生产的光催化空气净化器、自清洁表面的涂层生产线或连续水处理设备——采用三阶段监测方法是值得的。

基准表征。在实际反应器几何结构下对光源进行一次性光谱调查，以确定相对光谱、受照区域的均匀性，以及催化剂位置与固定传感器位置之间的换算系数。

固定式工艺监测。安装在固定位置的已校准传感器持续报告辐照度。但若没有来自基准表征的换算系数，该传感器所描述的仅是其自身状况，而非催化剂处的实际条件。

控制与可追溯性。所测得的辐照度用于调节LED功率、检测老化趋势并推导维护间隔。对于经过认证的产品——例如根据ISO 10678声明具有光催化活性的自清洁涂层——辐照历史会与批次信息一并记录归档，因为光催化性能在成品上事后很难验证。

对光源进行表征需要使用光谱辐射计。SR900覆盖200至1100 nm波段，因此可在一次测量中同时捕获UV与可见光部分——这正是可见光活性和太阳光驱动型催化剂所需的波段范围。若光源、波段和装置在一系列测试中保持不变，则使用配备相应传感器的宽波段辐射计，如RMD Pro，即可满足常规检测需求。对于重复出现的几何结构，如UV-MAT之类的剂量控制器可使样品在灯老化的情况下仍保持相同的测得曝光量。若需要限定且屏蔽的辐照条件，辐照箱可提供固定的几何结构。测量不确定度的主要来源包括传感器相对于所用光源的光谱失配、反应介质中的散射与浑浊，以及传感器与实际催化剂表面之间的定位不确定性；具有可追溯性的校准——例如由通过ISO/IEC 17025认可的校准实验室出具的校准——可确定这部分不确定度中的系统性成分。

以下用户成果显示了光催化中光学边界条件可以有多大差异——从反应器内部的辐射模型到涂层膜。

通过实验和数值模型确定水相反应器中的辐射场，并将两者进行对比。
利用实验和数值模拟技术比较水相介质中的辐射强度
Uppinakudru, Adithya Pai, et al. "Comparison of radiant intensity in aqueous media using experimental and numerical simulation techniques." Open Research Europe 4 (2024).

通过原子层沉积在多孔膜上沉积超薄TiO2薄膜——固定化方法的一个实例。
通过原子层沉积将二氧化钛超薄薄膜固定于多孔膜上以光降解水传污染物
Maloda, Elisante M., et al. "Immobilization of Titanium Dioxide Ultrathin Films onto Porous Membranes via Atomic Layer Deposition for Photodegradation of Water-Borne Pollutants." ChemPhotoChem 10.3 (2026).

将多孔g-C3N4与碳掺杂相结合，在同一材料上研究水处理和水分解。
用于光催化水处理与水分解的同步碳掺杂多孔g-C3N4
Sarifuddin, Wahid Sidik, et al. "Porous g-C3N4 with simultaneous carbon doping for photocatalytic water treatment and splitting." Next Materials 13 (2026): 102675.

比较了ZnO-Ag异质结在紫外光和类太阳光辐照下的染料降解效果。
利用水中一步激光合成的ZnO-Ag异质结纳米颗粒进行紫外及太阳光驱动的有机染料光催化
Radičić, Rafaela, et al. "UV and solar-driven photocatalysis of organic dyes using ZnO-Ag heterojunction nanoparticles synthesized by one-step laser synthesis in water." Applied Surface Science (2024): 160498.

在连续运行的膜反应器中降解一种激素，并研究其动力学和可重复使用性。
负载二氧化钛和埃洛石的聚乳酸基膜连续流光反应器用于17α-炔雌醇（EE2）激素降解
Ali, Hassan, et al. "Titanium dioxide and halloysite loaded polylactic acid-based membrane continuous flow photoreactor for 17α-ethinylestradiol (EE2) hormone degradation: Optimization, kinetics, mechanism, and reusability study." Catalysis Today 432 (2024): 114602.

展示了沉积参数如何改变无定形TiO2薄膜的自清洁性能。
溅射参数对无定形二氧化钛薄膜自清洁性能的影响
Sabbah, Hussein. "Effect of sputtering parameters on the self-cleaning properties of amorphous titanium dioxide thin films." Journal of Coatings Technology and Research 14 (2017): 1423-1433.

光催化主题领域的更多成果——目前共25篇论文——已收录于按主题分类的客户发表论文中。

• Fujishima, A.; Honda, K.: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. Nature 238, 37–38 (1972). DOI 10.1038/238037a0 ——半导体电极多相光催化的奠基性论文。
• Fujishima, A.; Zhang, X.; Tryk, D. A.: TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surface Science Reports 63(12), 515–582 (2008). DOI 10.1016/j.surfrep.2008.10.001 ——关于TiO2光催化机理、材料及应用的权威综述。
• Hoffmann, M. R.; Martin, S. T.; Choi, W.; Bahnemann, D. W.: Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chemical Reviews 95(1), 69–96 (1995). DOI 10.1021/cr00033a004 ——关于环境应用及反应机理的基础性综述。
• Braslavsky, S. E. et al.: Glossary of terms used in photocatalysis and radiation catalysis (IUPAC Recommendations 2011). Pure and Applied Chemistry 83(4), 931–1014 (2011). DOI 10.1351/PAC-REC-09-09-36 ——关于量子产率、光子效率及光子通量的规范性定义。
• ISO 22197（系列）、ISO 10678:2010、ISO 10676:2010、EN 16845-1:2017、DIN EN 17120——用于光催化空气净化、自清洁及水净化性能测试的国际及欧洲标准，此外还有DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03，用于所用辐射传感器的可溯源校准。
• Mordor Intelligence，Photocatalyst Market（2026年）；Persistence Market Research，Photocatalysts Market（2026年）；Databridge Market Research，Self-Cleaning Coating Market（2025年）——市场范围各有不同、且已有明确记载的市场指标。

光催化是如何工作的？
二氧化钛等半导体吸收能量高于其带隙的光子后，会形成电子-空穴对。若这些电子-空穴对在复合之前迁移至表面，便会引发氧化还原反应，生成羟基自由基等活性氧物种。这些活性氧物种可分解有机污染物、微生物或水中溶解的成分，而催化剂本身不会被消耗。

哪种波长适合TiO2光催化？
锐钛矿型TiO2的带隙约为3.2 eV，对应的阈值波长约为387 nm；金红石型约为3.0 eV，对应约410～413 nm。因此，市售的混相材料通常在365～390 nm的UV-A范围内被激发。可见光响应型、掺杂型或异质结型材料则可进一步利用延伸至可见光范围的较长波长。

量子产率与光子效率有何区别？
量子产率是相对于被吸收光子数而言的，表观量子产率则是相对于入射光子数而言的。光子效率是一个相对数值，仅在完全相同的实验条件下才具有可比性，并不代表绝对量子产率。这三者均非纯粹的材料常数——它们都取决于反应器几何结构和辐照度。

为何灯的功率不足以作为工艺参数？
电功率无法说明有多少光谱成分的能量高于带隙能量，也无法说明其中有多少实际到达了催化剂表面。只有反应位置处的光谱辐照度及由此推导出的光子通量，才能可靠地反映预期的反应速率。从电功率经光电转换效率到作用点测量量的一般推导过程，详见辐射度量一节。

如何按标准测量光催化活性？
在空气净化方面，ISO 22197系列标准规定了在持续UV-A辐照下特定模型污染物的分解方法。在自清洁表面方面，ISO 10678规定了亚甲基蓝在水中的降解，EN 16845-1规定了测试染料在非透明材料上的褪色。在水净化方面，则适用ISO 10676和DIN EN 17120。所有这些方法都要求记录样品表面处的辐照度。

哪些光催化剂可在可见光下工作？
纯TiO2和ZnO需要紫外光激发。氮掺杂或碳掺杂的TiO2、氮化碳（g-C3N4）以及各种异质结或Z型体系可将可利用的吸收范围扩展至可见光，但其量子产率通常低于纯紫外响应型参比材料。

为何已发表的量子产率数值往往不能直接比较？
这是因为表观量子产率取决于光子通量、反应器几何结构、催化剂负载量，以及由于倒易律的有限适用性而受辐照度本身的影响。即使两项研究使用相同材料，但采用不同方法测定入射光子通量，其结果也可能出现明显差异。

何时需要进行光谱测量而非宽带测量？
在首次对测试光源或生产光源进行表征时、在比较紫外响应型与可见光响应型材料时、在使用太阳模拟器时，或需要计算量子产率时，都需要进行光谱测量。而对于光谱特性已知且装置未发生变化的持续过程控制，采用经校准的宽带测量即可满足需求。

光催化在技术上与多个其他应用领域相邻——例如水处理和环境技术（共用的反应器原理和污染物分解）、光催化制氢（相同的半导体物理，不同的目标反应）、紫外消毒（部分结合UV-C和光催化机制），以及光生物学和生物技术（对作用光谱和量子产率有类似要求）。这些共同的基础——光子通量、量子产率和化学光量测定法——都归纳在光化学之下。完整内容请参见紫外应用概览。

不确定您自己的反应器或测试几何结构中实际到达催化剂表面的光子通量是多少，也不确定所报告的量子产率是否与您自己的设置具有可比性？使用SR900对工艺几何结构中的光源进行光谱测量，并对所用传感器进行可溯源校准，即可明确实际有多少比例的辐射对反应有贡献。欢迎您联系我们，探讨您的测试或工艺课题。