“光催化之父”藤岛昭的经典回顾

日前，各大媒体报道了藤岛昭（Akira Fujishima）已带领他的研究团队全职加盟上海理工大学的喜讯。藤岛昭教授虽然是日本人，但他与中国的交流合作十分密切，尤其是在培养人才方面，国内光化学界更是流传着关于藤岛昭教授“一门三院士，桃李满天下”的佳话。三院士分别是：刘忠范（中国科学院院士，现任教于北京大学化学与分子工程学院），姚建年（中国科学院院士，现任国家自然科学基金委员会副主任）江雷（中国科学院院士，国家纳米中心首席科学家、国科大未来技术学院院长）。本文就顺势带大家了解一下光催化之父藤岛昭以及他的代表成果。

藤岛昭教授是著名的光化学家，中国工程院外籍院士 、欧洲科学院院士，东京大学特别大学荣誉教授，东京理科大学第9任校长。他与本多健一于1972年在Nature上发表了二氧化钛单晶表面在紫外光照射下水的光分解现象，被称为“本多-藤岛效应”（Honda-Fujishima Effect）^[1]，这一开创性科研成果及其随后的一系列重要成果，使得藤岛昭教授被公认为“光催化之父”。在谷歌学术上藤岛昭教授的他引情况显示论文被引用超过14万次，2016年以来被引近5万次，简直神一样的存在。

在发现这一重要成果后，藤岛昭教授转向了水分解强氧化力应用的研究，又发现二氧化钛在吸收太阳光或照明光源等可见光后，具有很强的氧化性和亲水性，形成强氧化的自由基，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，同时还能把细胞尸体释放出的有害复合物分解成无害的水和二氧化碳，发现光触媒有着理想的抗菌、空气净化、水净化、防污防霉的能力，随后光触媒在食品、日常生活用品、化妆品、医药、养殖业等领域中也逐渐被广泛应用。

虽然光触媒在新能源生产方面的应用没有像藤岛昭教授期望的那样得到真正发展，但是在环保、空气治理方面的应用却大放异彩，这一特殊的效应在自清洁材料、空气净化等许多和我们日常生活密切相关的领域得到了广泛应用。

下面就对藤岛昭教授几个关于TiO₂和光触媒应用深具影响力的综述简单介绍一下。

1. 二氧化钛光催化及相关表面现象TiO₂photocatalysis and related surface phenomena^[2]

这篇综述是2008年发表的关于二氧化钛光催化及相关表面现象，是每个光催化人不可错过的经典综述，主要内容包括光催化历史概述、TiO₂材料的特性、光催化基础、 光致亲水效应的基本原理、光催化实际应用简述。

文中详细介绍了TiO₂的晶体结构、电子特性 、表面结构、与水的相互作用 、与分子氧和其他物质的相互作用、电化学性能以及光电化学性质。TiO₂ 结构主要分为三种类型：金红石、锐钛矿和板钛矿，大多数实际应用和研究工作都是针对金红石或锐钛矿的，各种 TiO₂ 相稳定性具有尺寸依赖性 ，对于尺寸超过 35 nm 的颗粒，金红石是最稳定的相 ；对于小于 11 nm 的纳米粒子，锐钛矿是最稳定的相。不同尺寸的纳米颗粒对光催化反应具有不同的活性。

图1. 金红石相TiO₂沿(110)面晶体结构示意图

随后文章对光催化基础知识进行了梳理，内容涵盖了光催化机理、光催化的光电化学基础、光催化时间尺度、电子和空穴的俘获、 TiO₂表面的氧化物质、分子氧的作用、晶面的影响、远程光催化，可见光光活性的起源 、可见光诱导的 PIH 效应。

图2. 光催化的时间尺度

最后详细介绍了光催化的常见应用： 自清洁表面 、水净化、空气净化、 自消毒表面 、防雾表面、 传热和散热、 防腐蚀应用、环保表面处理、 光催化光刻等。

图3. 自洁型外墙建筑材料的应用。 (a) 横滨 MM Towers 的图片，涂有自洁瓷砖(b) 覆盖着自洁玻璃的松下电器大楼 (c) 自洁式隔音墙的图片(d) 使用自洁瓷砖和玻璃的生态生活型房屋(e) Motosumiyoshi 火车站的自清洁屋顶。

2. TiO₂光催化-材料设计与应用：TiO₂photocatalysis: Design and applications ^[3]

这篇综述从结构设计的角度总结了 TiO₂ 在光催化研究领域的进展。与 TiO₂ 材料结构相关的维度会影响其性质和功能，尤其是光催化性能，更具体地说，其表面积、吸附、反射、粘附和载流子传输特性。文章简要介绍了 TiO₂ 光催化的现状，并描述了结构可控的 TiO2 光催化剂，可分为零维、一维、二维和三维结构。此外，还讨论了 TiO₂ 表面在制造润湿性图案和印刷方面的新应用。是一篇对TiO₂结构与应用十分全面的综述。

图4. TiO₂在光催化中的应用

图5. 不同维度材料的预期性质

3. 光敏TiO₂纳米材料可解决实际微生物感染难题：An approach to the photocatalytic mechanism in the TiO₂-nanomaterials microorganism interface for the control of infectious processes^[4]

图6. 病原微生物与TiO₂ 的表界面

这篇综述主要关注了纳米结构/微生物的界面，探讨微生物的湮灭机制。对TiO₂基材料特性、微生物特性及其灭活、微生物与纳米材料相互作用、光催化对微生物形态作用的表征方法、微生物抵抗氧化应激的机制以及罕见病原微生物和生物多样性等方面进行了总结并给出了独特的见解。

文中还讨论了影响光活性纳米结构表面的关键参数，如抑菌性、亲水性、结构孔隙率、形态和异质结系统，类似材料可以在自然条件下实现微生物的有效根除，最后指出了有效预防/消灭微生物的理想光催化方式，在环境、农业等方面具有极高的应用价值。

参考文献：

(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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