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用光分解水：TiO₂ 光催化
用紫外光照射水中的 TiO₂ 膜，观察电子与空穴生成 H₂ 和 O₂——这就是人工光合作用。
目标
追踪光子 → e⁻–h⁺ 对 → H₂/O₂ 的链条，并说明 TiO₂ 为何需要紫外光而非可见光。
仪器与试剂
TiO₂（金红石或锐钛矿）薄膜或粉末、含少量 NaOH 或电解质的水、紫外灯（约 365 nm）、H₂ 和 O₂ 收集管、防 UV 护目镜。
步骤
- 先关灯，确认黑暗中 TiO₂ 上没有气体析出。
- 开启紫外灯，追踪 e⁻–h⁺ 对分别流向还原（H₂）与氧化（O₂）位点。
- 比较收集到的气泡体积：H₂ 应约为 O₂ 的两倍。
- 讨论哪些光子有效：锐钛矿 TiO₂ 的 Eg ≈ 3.2 eV，只能吸收 λ ≲ 390 nm 的光。
观察要点
- 只在紫外照射下产生气体：黑暗中不存在 e⁻–h⁺ 对，半导体保持惰性。
- H₂ 体积约为 O₂ 的两倍，与 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ 的 2:1 化学计量相符。
讲解
hν ≥ Eg 的光子把电子激发到导带，在价带留下空穴。导带电子把 H⁺ 还原成 H₂（2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂），价带空穴把水氧化成 O₂（4 h⁺ + 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺）。分解水需要 ΔG = +237 kJ/mol（每电子约 1.23 V），催化剂带边必须覆盖 H⁺/H₂ 与 O₂/H₂O 的氧化还原电位——TiO₂ 满足但仅在紫外下工作，这正是可见光光催化仍是研究前沿的原因。
实验史话
贝克勒尔于 1839 年在 AgCl 电极上首次观察到光电化学效应。藤岛与本多 1972 年证明 TiO₂ 电极在紫外下无需外加偏压即可分解水——这是光催化的奠基实验。现代研究正通过掺杂氧化物和叠层电池把响应推向可见光。
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