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当用光照半导体化合物时，并非任何波长的光都能被吸收和产生激发作用，只有其能量E满足下式的光量子时才能发挥作用，即
E(eV) ≥Eg
图5-2所示为各种半导体在pH1时导带和价带的位置。
图5-2 各种半导体在pH1时导带和价带的位置
5..2 纳米材料的光催化效应
将光催化的粒子纳米化，从理论上将产生如下的三个效应，可以有效提高量子产率，利于光催化反应。
5.2.1 能级移动
由量子效应引起的导带电子和价带空穴的能级移动，使光催化剂的还原性和氧化性增大，使得不能被普通的微米级粒子还原的分子可以被超微粒子还原。这个效应可以认为与电极反应中电压增大的效果相似。然而反应速度并不一定因为催化剂粒子超微化而增大。因为对超微粒子来说，电子俘获能级在导带附近上升，并且这能能级的移动伴随着吸收光谱像短波方向移动。因而在想要利用太阳光中可见光为光源的反应中，必须使用能源比较狭窄的半导体材料。换言之，制作某些光催化剂时，可以通过改变催化剂粒径而使波长符合要求。
5.2.2 光激发位置趋近表面
半导体的粒径变小，光激发产生的电子-空穴对能看快到达催化剂表面。由于反应是在表面发生的，可以使更多的光生电子和空穴被氧化剂或还原剂吸收，有效减少电子和空穴的复合，因此氧化或还原的速率就会增加。
5.2.3电荷分离的空间变小
半导体光催化剂与半导体电极相比，其特征之一是半导体催化剂内部产生空间电荷层，这种电势梯度避免了光激发的电子-空穴对的复合。对粒子状的光催化剂来说，电子和空穴必须同时产生，因而空间电荷层会在近距离内产生。此外，电子-空穴对在狭小的空间中产生，复合反应的概率也会增加。由于表面的氧化-还原反应与复合反应竞争，根据两者与催化剂粒径之间的依存关系，粒径的减小也可能引起反应效率的降低，表面反应效率有复合与电荷移动的竞争反应所决定。
5.2.4 表面积增大
对于所有的催化剂，超微粒子化将使表面积增大，从而使催化剂活性增大。对于粒径在12～150nm的TiO2光催化剂，从水中或乙醇中产生的氢活性与粒径成反比例关系；粒径在55～200nm的TiO2光催化剂，在乙炔加氢反应中活性的增加伴随选择性的变化，其原因不仅在于催化剂表面积的增大，而且与能量状态有关。粒径在3.41～5.3nm的ZnO纳米粒子催化异丙醇与CO2反应合成蚁酸时，可以观察到表面积的增加使反应效率增加，其原因在于催化剂表面吸附点的增加。
5.3影响纳米材料光催化效果的因素
5.3.1 晶粒尺寸
晶粒尺寸减小到纳米尺度可使禁带能宽（Eg）增大，从而使光生空穴h+和电子e-具有更强的氧化性和还原性，晶粒尺寸小，反应活性中心多，表面积大，吸附的反应底物多，促进光催化反应进行。
5.3.2氧气
氧气在光催化降解有机污染物中起着重要的作用。它通过与光生电子反应生成超氧离子O2-，一方面抑制了光生电子与光生空穴的复合，另一方面超氧离子O2-在溶液中通过一系列的反应形成H2O2再生成羟基自由基·OH2。
5.3.3 pH值
以光催化防污来说，如果污染物是非极性的，则在光催化降解时受pH值的影响不大；如果污染物是极性的，则在有利于在TiO2表面吸附的pH值条件下，光催化效率高。
5.3.4 强氧化剂
以二氧化钛来说，强氧化剂如K2S2O8、H2O2、NaIO4、KBrO4等加入光催化体系中均可大大提高催化速率，其原因是氧化剂作为良好的电子受体能俘获TiO2表面的光生电子e-，抑制了电子与空穴的复合，而且强氧化剂本身直接氧化有机物。
5.3.5光照强度
至于光照强度，总的来说，相当强的灯或集中的太阳光源，其光量子效率较差。由此可见光强过大并不一定有效，这是由于光强太大时，存在中间氧化物在催化剂表面的竞争性复合，或随着光强增加，一方面电子与空穴的数量增加，电子与空穴复合的数量也增加，另外产生的羟基自由基会自反应生成H2O2，而H2O2氧化有机物的速率比自由基要慢得多。
5.4 纳米光催化材料制备与功能设计
光催化材料众多，光催化材料因其优良的广电化学特性，可用以设计制造太阳能电、光催化分解水制氢、光催化固氮合成氨、光催化合成某些有机和无机化合物、光催化氧化降解水和大气中的有机污染物及有害气体、光催化还原贵金属离子和有毒重金属离子、生产TiO2光催化抗菌材料等，从而在能源、环保、建材、纺织、医卫等领域有重要应用前景。光催化材料包括TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2、Nb2O5、WO3和CdS、ZnS等多种氧化物或硫化物半导体。
5.4.1纳米光催化材料的制备
纳米级光催化材料主要包括TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2、Nb2O5、WO3和CdS、ZnS等多种氧化物和硫化物半导体。早期，曾用CdS和ZnS作为光催化材料，但其化学性质不稳定，在光催化的同时发生溶解，溶出有一定生物毒性的金属离子，故目前很少将它们作为民用光催化材料，仅在部分工业领域中有应用。目前纳米级无机氧化物应用较多，纳米光催化材料的制备与纳米防紫外材料的制备类似，也分为气相法、液相法、固相法。
具体制备过程可参考防紫外材料的制备。
5.5纳米光催化材料的功能设计
宣城晶瑞纳米二氧化钛JR05JR05光催化材料在环境净化和能源利用上具有非常广泛的应用前景。纳米二氧化钛JR05JR05光催化材料在紫外光的作用下不仅可以杀灭空气中的细菌还可以把空气中的有毒物质如甲醛、甲苯等催化转化无毒的二氧化碳和水。纳米二氧化钛JR05JR05纳米光催化材料在自清洁涂料、自清洁玻璃、自清洁织物方面也具有很好的应用前景。利用环境太阳光，纳米二氧化钛JR05光催化剂还可以催化净水污水，在环境保护方面发挥重要作用。纳米二氧化钛JR05光催化材料在太阳能的利用上也具有广阔的应用前景。利用纳米TiO2光催化材料开发的太阳能电池，其光电转化效率可以达到33%，高于目前的单晶硅太阳能电池，并且具有造价低，可以制备成柔软性电池等优点。这些技术和产品对我们生活质量的提高具有重要的意义。由于光催化材料的优异性能，使其在纺织领域也具有很广泛的应用，将光催化材料处理到织物上，得到功能性纺织品。具体应用如下。
5.5.1抗菌纺织品
纳米二氧化钛JR05光催化材料在光催化反应的过程中产生的h+和·OH氧化能力很强，而O2-有时一种强还原剂，因此，纳米二氧化钛JR05JR05氧化物光催化剂可作为抗菌剂，具有广谱杀菌的功能，能抑制和杀灭病菌（如大肠杆菌、绿脓杆菌、球菌等）和癌细胞等，还具有除臭、防霉、消除的作用，将其整理到织物上可制成抗菌纺织品。开发的纳米光催化剂抗菌材料，以纤维级无机纳米材料为抗菌母粒、银锌复合物为主抗菌体、超细TiO2为载体制备。添加了1%该材料的纤维的抑菌测试结果表明，模拟人体表面湿度条件下，织物24h后的抑菌率（针对大肠杆菌、金色葡萄球菌、青霉袍子、红色毛癣菌）达到82%～90.8%。
5.5.2自清洁纺织品
TiO2膜具有光致亲水性，当涂有TiO2薄膜的物体表面受污染后，污染物不易黏附在亲水的TiO2薄膜表面，可在外部风力、水淋等作用下自动剥落，而且残余的污染物又可被纳米二氧化钛JR05JR05 薄膜光催化分解，在光照下能够将吸附在微粒表面的碳氢化合物和灰尘等赃物分解，从而长期具有自清洁作用。
中科院化学科研人员发现，氧化钛纳米JR05 微粒喷涂在材料上形成的特殊界面可以使材料表面呈现出超常的双疏（疏水和疏油）性。由此开发了超双疏性功能纳米界面材料。因此，第1章中介绍的纳米拒水拒油功能材料，也是自洁防治品加工的一个特例。
5.5.3空气净化纺织品
研究纳米二氧化钛JR05光催化降解室内空气污染物，研究发现纳米二氧化钛JR05JR05s对环境中的有害的有机和部分无机物系都有很好的催化降解活性，且其降解率与光强成正比。 TiO2-Ag复合纳米材料光催化剂水分解液，再用浸轧方法将复合纳米TiO2-Ag光催化剂负载到织物的表面，制成了具有光催化特性的纳米光催化剂负载涤棉混纺织物。并通过实验证明纳米光催化剂能在较短时间内将空气中氨基本上去除。
5.6 纳米光催化自清洁纺织品加工与性能改善
5.6.1 纳米光催化材料的织物整理
纳米光催化整理织物，以TiO2为例，当TiO2整理织物时，可将干燥细化的成品光催化粉体先分散，在浸轧、涂层织物，或者将光催化剂的制备和整理连续进行，分别称为负载法和原位复合法。
5.6.1.1 分散负载法
分散负载法指TiO2的制备和负载单独进行，也称后负载法。在分散负载法过程中，关键是制备均匀稳定的纳米整理液，并且实现纳米粒子与纤维之间的牢固结合，赋予织物耐久的功能性。浸轧工艺流程大致为：制备分散液→浸轧或涂层→烘干→后处理。以纳米无机氧化物为例，将纳米无机氧化物粉末用乳化剪切机、超声波清洗器等设备分散，制成纳米粉体悬浮液，然后采用浸涂或喷涂的方法将悬浮液处理到织物上。悬浮浆料制备工艺简单，但其所制的无机氧化物涂层厚度不易控制，涂层与织物也不易结合牢固。
5.6.1.2 原位复合法
原位复合法要求制备的光催化剂粉体分散性良好且粒度较为均一，同时也要求能与织物纤维牢固结合。以二氧化钛为例，采用太酸丁酯为前驱体，在水以及稳定剂与催化剂的作用下使之发生水解缩聚反应，生成稳定的二氧化钛溶胶，而后采用提拉、浸涂或喷涂的方法将溶胶处理到织物上。利用此方法负载到织物上的溶胶膜膜厚可控，不影响织物的外观，但其缺点为当需得到高厚度的膜时需要反复浸涂或提拉，且溶胶膜的牢度小易脱落。
5.7自清洁纺织品的性能改善
自清洁纺织品的自清洁性能改善可以通过提高宣城晶瑞公司生产的高活性纳米二氧化钛JR05光催化材料的光催化活性来改善，光催化剂与纺织品或有机物直接接触，会造成材料性能劣化、降解，因而需在负载。成形后才能有效地发挥其功能，若用有机物作固定材料，其本身会被分解，而换作无机物时，光催化剂表面易被覆盖，难以发挥功效。因此需要在结合方式、反应活性及耐久性之间找到一个较好的平衡点。现阶段研究提高光催化剂光催化活性的方法有：晶粒尺寸的控制、催化剂浓度的控制、反应物浓度的控制、光源、气氛、掺入金属离子、表面金属沉积、半导体复合。
