半导体光催化原理及应用

近年来，半导体光催化技术在环境净化、CO2还原及有机合成化学等领域发挥了重要作用，利用光生电子及半导体表面结构可以实现特定的氧化还原反应。本书不仅重点分类阐述半导体光催化前沿研究方向，而且重视半导体基础物理、化学及表面结构等基础内容。
本书前3章重点介绍了半导体物理、化学及表面结构的基础内容，这些为从基础物理和化学的角度理解和优化相关能源和催化科学中“卡脖子”及核心问题提供了重要基础。接着本书结合前沿研究方向重点阐述和总结了半导体光催化在材料调控方面的策略和设计。第4章主要阐述半导体光催化分解水，第5章主要阐述半导体光催化在水体净化方面的前沿研究。第6章重点介绍半导体光催化在CO2还原及综合利用方面的研究，表明半导体光催化在“双碳”领域的应用潜力。第7章主要介绍半导体光催化在精细化工、药物合成及有机合成领域的重要应用，展示了半导体光催化在有机小分子转化方面的特殊能力。第8章重点介绍密度泛函理论在半导体光催化中发挥的作用，此外还有人工智能及机器学习等新理论手段在此领域下的发展前景。
本书既重视半导体相关的基础物理和化学内容，又能表现当前该领域的前沿研究内容，是相关专业研究生及科研人员的重要参考专著。

前言
第1章 半导体光催化基础 1
1.1 半导体光催化概述 1
1.2 半导体晶体学基础 3
1.2.1 晶体基本概念 3
1.2.2 晶体结构缺陷与表面特征 3
1.2.3 常见的半导体晶体结构 4
1.3 半导体电子性质 5
1.3.1 能带理论 5
1.3.2 带边位置 7
1.3.3 空间电荷区 9
1.4 半导体光学性质 11
1.4.1 半导体的光吸收 11
1.4.2 光子激发与电荷迁移 12
1.4.3 半导体发光 18
第2章 半导体光催化策略与表征方法 20
2.1 光催化策略 20
2.1.1 掺杂与能级工程 20
2.1.2 异质结 26
2.1.3 贵金属负载与表面等离子体共振 28
2.1.4 染料敏化 29
2.1.5 晶面工程 30
2.1.6 表面修饰 32
2.1.7 物理场 34
2.1.8 新材料设计 50
2.2 光催化表征方法 57
2.2.1 光吸收的表征 57
2.2.2 光生载流子分离的表征 59
2.2.3 表面吸附及光催化中的自由基表征 61
第3章 半导体光催化剂的合成 65
3.1 固态反应 65
3.1.1 室温固相球磨 65
3.1.2 高温固相法 66
3.2 水热合成方法 68
3.3 溶胶-凝胶合成方法 70
参考文献 71
第4章 半导体光催化分解水 73
4.1 半导体光催化分解水概述 73
4.1.1 光催化分解水原理 73
4.1.2 光催化分解水反应速率 75
4.2 分解水光催化剂的重要体系 75
4.2.1 金属氧化物 79
4.2.2 硫化物 83
4.2.3 二维异质结 85
4.2.4 硼酸盐体系 86
4.2.5 MOF结构 89
4.3 光催化分解水制氢 90
4.3.1 光催化分解水制氢的发展历程 92
4.3.2 光催化分解水制氢的基本原理 93
4.3.3 光催化水分解反应的热力学 94
4.3.4 光催化水分解反应的动力学 95
4.3.5 光催化分解水制氢材料 97
参考文献 103
第5章 半导体光催化水处理 110
5.1 半导体光催化水处理概述 110
5.1.1 光催化机理 111
5.1.2 各种光催化剂及其应用 112
5.2 水处理光催化剂的重要体系 121
5.2.1 金属氧化物 121
5.2.2 Bi基材料 123
5.2.3 有机半导体 126
5.2.4 硫化物 152
5.2.5 二维异质结 166
5.2.6 硼酸盐体系 174
5.3 过硫酸盐辅助的光催化体系 183
5.3.1 PPOH体系 185
5.3.2 PPA、PAP和 CPPA系统的比较 196
参考文献 198
第6章 半导体光催化CO2还原 202
6.1 CO2还原的基本原理 202
6.2 CO2光还原催化剂体系 202
6.2.1 光催化体系 202
6.2.2 光电催化体系 205
6.2.3 光热催化体系 205
6.2.4 金属氧化物 206
6.2.5 硫化物 206
6.2.6 有机半导体 210
6.2.7 异质结 211
6.2.8 等离子体共振 212
6.3 光催化CO2参与下的有机合成反应 216
6.3.1 异相光催化CO2还原与有机反应相结合的机理和优势 217
6.3.2 光催化CO2嵌入有机反应中 220
6.3.3 CO2还原与有机选择性氧化合成反应的耦合 225
参考文献 225
第7章 半导体光催化有机合成 228
7.1 醇的氧化 228
7.1.1 制备醛酮 228
7.1.2 制备含C-C或者C-O化合物 231
7.1.3 二元醇的脱氢酯化 234
7.1.4 硫醇的脱氢氧化 235
7.2 环烃的脱氢反应 236
7.2.1 环己烷制取苯 236
7.2.2 N杂环的脱氢 237
7.3 烷烃 [C(sp³)-H] 氧化制备醛酮 239
7.4 胺类的氧化偶联 241
7.5 氧化交叉偶联反应 244
7.5.1 苯和环己烷的交叉偶联反应 244
7.5.2 甲苯和丙酮的交叉偶联反应 245
7.5.3 醚与苯的交叉偶联反应 246
7.5.4 醇与胺的交叉偶联反应 248
7.6 生物质资源的光催化反应 250
7.7 药物合成中的光催化反应 252
参考文献 255
第8章 半导体理论计算与光催化 257
8.1 光吸收的调控 257
8.1.1 离子掺杂改性 257
8.1.2 新材料的设计 258
8.2 载流子分离动力学过程 260
8.2.1 轨道、带边与有效质量 260
8.2.2 非绝热分子动力学 261
8.3 表面催化过程 262
8.4 人工智能与光催化 263
8.4.1 机器学习简介 263
8.4.2 机器学习与光催化剂设计 265
参考文献 266