“光催化之父”藤島昭的經典回顧

日前，各大媒體報道了藤島昭（Akira Fujishima）已帶領他的研究團隊全職加盟上海理工大學的喜訊。藤島昭教授雖然是日本人，但他與中國的交流合作十分密切，尤其是在培養人才方面，國內光化學界更是流傳著關于藤島昭教授“一門三院士，桃李滿天下”的佳話。三院士分別是：劉忠范（中國科學院院士，現任教于北京大學化學與分子工程學院），姚建年（中國科學院院士，現任國家自然科學基金委員會副主任）江雷（中國科學院院士，國家納米中心首席科學家、國科大未來技術學院院長）。本文就順勢帶大家了解一下光催化之父藤島昭以及他的代表成果。

藤島昭教授是著名的光化學家，中國工程院外籍院士 、歐洲科學院院士，東京大學特別大學榮譽教授，東京理科大學第9任校長。他與本多健一于1972年在Nature上發表了二氧化鈦單晶表面在紫外光照射下水的光分解現象，被稱為“本多-藤島效應”（Honda-Fujishima Effect）^[1]，這一開創性科研成果及其隨后的一系列重要成果，使得藤島昭教授被公認為“光催化之父”。在谷歌學術上藤島昭教授的他引情況顯示論文被引用超過14萬次，2016年以來被引近5萬次，簡直神一樣的存在。

在發現這一重要成果后，藤島昭教授轉向了水分解強氧化力應用的研究，又發現二氧化鈦在吸收太陽光或照明光源等可見光后，具有很強的氧化性和親水性，形成強氧化的自由基，能破壞細菌的細胞膜和固化病毒的蛋白質，同時還能把細胞尸體釋放出的有害復合物分解成無害的水和二氧化碳，發現光觸媒有著理想的抗菌、空氣凈化、水凈化、防污防霉的能力，隨后光觸媒在食品、日常生活用品、化妝品、醫藥、養殖業等領域中也逐漸被廣泛應用。

雖然光觸媒在新能源生產方面的應用沒有像藤島昭教授期望的那樣得到真正發展，但是在環保、空氣治理方面的應用卻大放異彩，這一特殊的效應在自清潔材料、空氣凈化等許多和我們日常生活密切相關的領域得到了廣泛應用。

下面就對藤島昭教授幾個關于TiO₂和光觸媒應用深具影響力的綜述簡單介紹一下。

1. 二氧化鈦光催化及相關表面現象TiO₂photocatalysis and related surface phenomena^[2]

這篇綜述是2008年發表的關于二氧化鈦光催化及相關表面現象，是每個光催化人不可錯過的經典綜述，主要內容包括光催化歷史概述、TiO₂材料的特性、光催化基礎、 光致親水效應的基本原理、光催化實際應用簡述。

文中詳細介紹了TiO₂的晶體結構、電子特性 、表面結構、與水的相互作用 、與分子氧和其他物質的相互作用、電化學性能以及光電化學性質。TiO₂?結構主要分為三種類型：金紅石、銳鈦礦和板鈦礦，大多數實際應用和研究工作都是針對金紅石或銳鈦礦的，各種 TiO₂?相穩定性具有尺寸依賴性 ，對于尺寸超過 35 nm 的顆粒，金紅石是最穩定的相 ；對于小于 11 nm 的納米粒子，銳鈦礦是最穩定的相。不同尺寸的納米顆粒對光催化反應具有不同的活性。

圖1. 金紅石相TiO₂沿(110)面晶體結構示意圖

隨后文章對光催化基礎知識進行了梳理，內容涵蓋了光催化機理、光催化的光電化學基礎、光催化時間尺度、電子和空穴的俘獲、 TiO₂表面的氧化物質、分子氧的作用、晶面的影響、遠程光催化，可見光光活性的起源 、可見光誘導的 PIH 效應。

圖2. 光催化的時間尺度

最后詳細介紹了光催化的常見應用：?自清潔表面 、水凈化、空氣凈化、 自消毒表面 、防霧表面、 傳熱和散熱、 防腐蝕應用、環保表面處理、 光催化光刻等。

圖3. 自潔型外墻建筑材料的應用。 (a) 橫濱 MM Towers 的圖片，涂有自潔瓷磚(b) 覆蓋著自潔玻璃的松下電器大樓 (c) 自潔式隔音墻的圖片(d) 使用自潔瓷磚和玻璃的生態生活型房屋(e) Motosumiyoshi 火車站的自清潔屋頂。

2. TiO₂光催化-材料設計與應用：TiO₂photocatalysis: Design and applications ^[3]

這篇綜述從結構設計的角度總結了 TiO₂?在光催化研究領域的進展。與 TiO₂ 材料結構相關的維度會影響其性質和功能，尤其是光催化性能，更具體地說，其表面積、吸附、反射、粘附和載流子傳輸特性。文章簡要介紹了 TiO₂?光催化的現狀，并描述了結構可控的 TiO2 光催化劑，可分為零維、一維、二維和三維結構。此外，還討論了 TiO₂?表面在制造潤濕性圖案和印刷方面的新應用。是一篇對TiO₂結構與應用十分全面的綜述。

圖4. TiO₂在光催化中的應用

圖5. 不同維度材料的預期性質

3. 光敏TiO₂納米材料可解決實際微生物感染難題：An approach to the photocatalytic mechanism in the TiO₂-nanomaterials microorganism interface for the control of infectious processes^[4]

圖6. 病原微生物與TiO₂?的表界面

這篇綜述主要關注了納米結構/微生物的界面，探討微生物的湮滅機制。對TiO₂基材料特性、微生物特性及其滅活、微生物與納米材料相互作用、光催化對微生物形態作用的表征方法、微生物抵抗氧化應激的機制以及罕見病原微生物和生物多樣性等方面進行了總結并給出了獨特的見解。

文中還討論了影響光活性納米結構表面的關鍵參數，如抑菌性、親水性、結構孔隙率、形態和異質結系統，類似材料可以在自然條件下實現微生物的有效根除，最后指出了有效預防/消滅微生物的理想光催化方式，在環境、農業等方面具有極高的應用價值。

參考文獻：

(1)Akira Fujishima, Kenichi Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature,?1972?(238) 37-38.

(2)Akira Fujishima, Xintong Zhang, Donald A. Tryk, TiO₂?photocatalysis and related surface phenomena, Surface Science Reports,?2008?(63) 515-582.

(3)Kazuya Nakata, Akira Fujishima, TiO₂?photocatalysis: Design and applications, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews,?2012?(13) 169-189.

(4)Vicente Rodríguez-González, Sergio Obregón, Olga A. Patrón-Soberano, Chiaki Terashima, Akira Fujishima, An approach to the photocatalytic mechanism in the TiO₂-nanomaterials microorganism interface for the control of infectious processes, Applied Catalysis B: Environmental,?2020?(270) 118853.

本文由春春供稿。

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