光催化是光化學(xué)和催化科學(xué)的交叉點(diǎn)，一般是指在催化劑參與下的光化學(xué)反應(yīng)。半導(dǎo)體材料之所以具有光催化特性，是由它的能帶結(jié)構(gòu)所決定。半導(dǎo)體的晶粒內(nèi)含有能帶結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)通常由一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶（valent-band，VB）和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶（conduction band，CB）構(gòu)成，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間由禁帶分開，該區(qū)域的大小稱為禁帶寬度，其能差為帶隙能，半導(dǎo)體的帶隙能一般為0. 2 ~3. 0 eV。當(dāng)用能量等于或大于帶隙能的光照射催化劑時(shí)，價(jià)帶上的電子被激發(fā)，越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶上產(chǎn)生相應(yīng)的空穴，即生成電子/空穴對(duì)。由于半導(dǎo)體能帶的不連續(xù)性，電子和空穴的壽命較長，在電場作用下或通過擴(kuò)散的方式運(yùn)動(dòng)，與吸附在催化劑粒子表面上的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，或者被表面晶格缺陷俘獲。空穴和電子在催化劑內(nèi)部或表面也可能直接復(fù)合。因此半導(dǎo)體光催化關(guān)鍵步驟是：催化劑的光激發(fā)，光生電子和空穴的遷移和俘獲，光生電子和空穴與吸附之間表面電荷遷移以及電子和空穴的體內(nèi)或表面復(fù)合。光催化反應(yīng)的量子效率低是其難以實(shí)用化為關(guān)鍵的因素。光催化反應(yīng)的量子效率取決于電子和空穴的復(fù)合幾率，而電子和空穴的復(fù)合過程則主要取決于兩個(gè)因素：電子和空穴在催化劑表面的俘獲過程；表面電荷的遷移過程。
早期光化學(xué)家認(rèn)為光是一種特殊的、能夠產(chǎn)生某些反應(yīng)的試劑。早在1843 年Draper發(fā)現(xiàn)氫與氯在氣相中可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。1908年Ciamician利用地中海地區(qū)的強(qiáng)烈的陽光進(jìn)行各種化合物光化學(xué)反應(yīng)的研究，只是當(dāng)時(shí)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)還不能鑒定。到60年代上半葉，已經(jīng)有的有機(jī)光化學(xué)反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)。60 年代后期,隨著量子化學(xué)在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用和物理測試手段的突破（主要是激光技術(shù)與電子技術(shù)），光化學(xué)開始飛速發(fā)展。現(xiàn)在，光化學(xué)被理解為分子吸收大約200至700納米范圍內(nèi)的光，使分子到達(dá)電子激發(fā)態(tài)的化學(xué)。由于光是電磁輻射，光化學(xué)研究的是物質(zhì)與光相互作用引起的變化，因此光化學(xué)是化學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科。
相應(yīng)于熱化學(xué)，光催化有機(jī)合成反應(yīng)的特點(diǎn)如下：
1）光是一種非常特殊的生態(tài)學(xué)上清潔的“試劑"；
2）光化學(xué)反應(yīng)條件一般比熱化學(xué)要溫和；
3）光化學(xué)反應(yīng)能提供安全的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，因?yàn)榉磻?yīng)基本上在室溫或低于室溫下進(jìn)行；
4）有機(jī)化合物在進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)時(shí),不需要進(jìn)行基團(tuán)保護(hù)；
5）在常規(guī)合成中，可通過插入一步光化學(xué)反應(yīng)大大縮短合成路線。 因此，光化學(xué)在合成化學(xué)中，特別是在天然產(chǎn)物、醫(yī)藥、香料等精細(xì)有機(jī)合成中具有特別重要的意義。
光催化的研究方向：
1）水污染治理
隨著工業(yè)化和現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重，水污染是其中重中之重。相比傳統(tǒng)水污染治理方法，光催化法綠色環(huán)保、無二次污染。除了常見的各種染料，如亞甲基藍(lán) (MB)、羅丹明 B (RhB)、甲基橙 (MO) 等，其他無色的污染物，比如苯酚、雙酚 A(BPA)，或者各種抗生素農(nóng)藥等都可以降解掉。此外，光催化還可以將水體中的有毒重金屬離子，如 Cr6+、Pt4+、Au3+ 等還原為低價(jià)離子，減弱其毒性。
2）水分解
傳統(tǒng)的化石能源儲(chǔ)量有限，且燃燒后會(huì)造成溫室效應(yīng)和環(huán)境污染，如何制造清潔可再生能源是研究熱點(diǎn)。利用光催化將水分解為 H2 和 O2，用氫能源取代化石能源，生態(tài)環(huán)保、成本低。但目前產(chǎn)氫效率還比較低，距離實(shí)際工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走。
3）CO2 還原
隨著大氣中 CO2 濃度不斷增加，溫室效應(yīng)越發(fā)明顯，*端氣候頻發(fā)，如何降低大氣中 CO2 含量是函待解決的重大問題。利用光催化技術(shù)，將 CO2 還原為甲烷、甲醇、甲酸等有機(jī)化合物，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
4）空氣凈化
空氣中含有的污染物主要有氮氧化物 (NO2，NO 等)，硫氧化物(SO2，SO3 等)，各種揮發(fā)性有機(jī)化合物(甲苯、苯、二甲苯、*醛、乙醛等)。目前處理空氣污染常見方法為物理吸附或者借助貴金屬降解，物理吸附適用面廣，但只適合于濃度較高污染物；貴金屬降解成本高，且條件苛刻，耗能高，效率低，只適用于有經(jīng)濟(jì)條件的工廠。光催化作為一種新型的綠色環(huán)保技術(shù)，成本低，適用面廣，顯示出廣闊應(yīng)用前景。
5）抗菌
抗菌材料分為有機(jī)和無機(jī)兩類，而有機(jī)材料抗菌性弱、耐熱性差、穩(wěn)定性較差等特點(diǎn)限制了其使用，并逐漸被無機(jī)抗菌材料取代，而負(fù)載有銀、銅等金屬離子的無機(jī)殺菌劑能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分，如內(nèi)毒素。而 TiO2 等光催化劑不僅能殺死細(xì)菌，還能*降解有毒組分。
6）有機(jī)合成
傳統(tǒng)有機(jī)合成經(jīng)常使用到有害有毒或者危險(xiǎn)試劑，且一些反應(yīng)條件苛刻，而光催化有機(jī)合成反應(yīng)條件溫和，具備高選擇性，簡單環(huán)保，成為有機(jī)合成研究熱點(diǎn)。目前，光催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用有：
(1)醇，胺，烯烴和烷烴的氧化或芳香族化合物羥基化反應(yīng)；
(2)用親核試劑活化、官能化 α-C-H 鍵以構(gòu)建新的 C-C 或 C-X(X = O，N 或 S)鍵；
(3)將硝基苯還原成氨基苯或偶氮苯等等。
當(dāng)然光催化的研究方向絕不止上面提到的這些，比如自清潔、太陽能電池等等。總而言之，光催化是一個(gè)充滿朝氣與挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，其中一些技術(shù)能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用的話，將對(duì)人類生活帶來莫大的改善。
