《光电催化原理与应用》聚焦光电催化领域的核心理论与实践应用，以“基础奠基—技术核心—应用拓展”为逻辑脉络，系统梳理了光电催化的基础原理、光电极制备工艺与表面调控策略，并深入剖析光电催化分解水、二氧化碳还原、氮还原和高价值化学品合成四大关键应用体系。本书从光科学本源、太阳能资源特性，到光电极的制备方法与性能优化手段，再到各应用体系的反应机制、效率评价及未来展望，全面覆盖光电催化领域的核心知识点与前沿进展。
本书适用场景多元，既可供企业、科研院所中投身光电催化研究与生产工作的科技人员参考，也能作为高等院校相关专业师生的教育与学习资料。

第1章 光电催化基础 1
1.1 光科学 1
1.1.1 光学溯源 1
1.1.2 光的本质 2
1.1.3 光科学的意义 4
1.2 太阳能资源 5
1.2.1 太阳能驱动的地球生命史 5
1.2.2 太阳能及其光谱特性 6
1.2.3 太阳能资源及其地理分布 7
1.2.4 太阳能的特点及转化途径 8
1.3 光电化学装置 9
1.3.1 整体式光电化学电池 9
1.3.2 电极分离式光电化学电池 10
1.3.3 光伏-电解池 11
参考文献 13

第2章 光电极制备工艺 14
2.1 非原位制备光催化剂工艺 14
2.1.1 滴涂法和旋涂法 14
2.1.2 刮涂法 15
2.1.3 手指擦拭法和颗粒转移法 17
2.1.4 真空过滤转移法 17
2.1.5 喷雾热解法18
2.2 原位制备光催化剂工艺 18
2.2.1 电化学沉积法 18
2.2.2 水热/溶剂热法 19
2.2.3 化学气相沉积法 19
参考文献 20

第3章 光电极表面调控策略 21
3.1 光电极表面助剂修饰 23
3.1.1 单原子催化剂 23
3.1.2 原子团簇 25
3.1.3 量子点 26
3.1.4 MXene 27
3.1.5 分子催化剂 27
3.1.6 聚合物 28
3.1.7 金属有机框架 29
3.1.8 等离子体纳米颗粒 30
3.2 光电极表面活化 31
3.2.1 湿化学活化 31
3.2.2 光辐照活化、电化学活化、等离子体活化和超声活化 32
3.2.3 热处理活化 33
参考文献 34

第4章 光电催化分解水体系 38
4.1 水分解催化反应动力学 39
4.2 光电催化分解水基础 42
4.3 光电催化分解水效率评价指标 44
4.4 光电极电荷分离基础 47
4.4.1 异质结 48
4.4.2 同质结 54
4.5 展望 61
参考文献 63

第5章 光电催化二氧化碳还原体系 66
5.1 CO2 还原反应基础 67
5.1.1 CO2 活化 67
5.1.2 CO2 还原过程的热力学和动力学 67
5.1.3 CO2 还原路径 69
5.1.4 CO2 分子的对称性 71
5.1.5 光电化学CO2 还原机理 72
5.1.6 用于评估光电化学CO2 还原效率的参数 74
5.2 光阴极驱动体系 75
5.3 光阳极驱动系统 81
5.4 光阳极和光阴极耦合系统 86
5.5 光伏电池串联系统 87
5.6 光电催化CO2 还原中选择性的调控 90
5.7 光电催化CO2 还原中的空位工程 94
5.8 展望 94
参考文献 95

第6章 光电催化氮还原体系 100
6.1 光电催化氮还原基础 101
6.1.1 光电催化氮还原基本原理 101
6.1.2 光电催化氮还原效率评价指标 103
6.1.3 氨的氮源检测与定量分析 105
6.1.4 光电催化氮还原的挑战 107
6.2 光电催化氮气还原制氨光阴极材料 108
6.2.1 氧化物光阴极 108
6.2.2 硫化物和硒化物光阴极 112
6.2.3 黑硅和黑磷光阴极 113
6.3 光电催化硝酸盐还原制氨光阴极材料 115
6.4 展望 121
参考文献 123

第7章 光电催化合成高价值化学品 126
7.1 光阳极催化甘油氧化 127
7.2 光阳极催化呋喃基原料氧化 131
7.3 光阳极催化苯甲醇氧化 134
7.4 光阳极催化其他化学品合成 135
7.5 光阴极催化过氧化氢合成 140
7.6 光电催化C—C/C—H 键活化与官能团化 144
7.7 展望 147
参考文献 148

当下，能源危机与环境问题日益凸显，寻求绿色、可持续的能源转化与资源利用技术成为全球科研界与产业界的核心诉求。光电催化技术以太阳能为驱动力，融合光科学、电化学、材料科学等多学科理论，能实现水分解制氢、二氧化碳高值化转化、氮还原制氨及精细化学品合成等关键过程，为解决能源与环境挑战提供了极具潜力的途径。然而，该领域知识体系庞杂，涵盖基础原理、材料制备、性能调控与实际应用等多个维度，初学者难以快速构建系统认知，科研工作者也亟需一本能整合前沿进展与核心技术的参考著作。
基于此，我们结合多年从事光电催化研究的积累与教学实践，撰写本书。回顾光电催化的发展历程，从光科学认知的不断深化，到光电化学装置的持续迭代，再到近年量子点、单原子催化剂、MXenes 等新兴光电材料的相继涌现，这一领域在光电极设计、表面调控及反应机理研究方面均取得了长足进步。编著者团队长期致力于光电极制备工艺与表面调控策略的研究，在非原位/原位制备方法、助剂修饰及表面活化等方面积累了一系列成果。因此，本书的编写逻辑遵循“基础奠基—技术核心—应用拓展” 的脉络展开，旨在全面梳理光电催化领域的核心理论与应用技术，帮助读者建立从基础研究到实际应用系统的知识框架，既为领域内科研人员提供前沿参考，也为初学者指引学习路径。
本书共设7章，第1章从光科学的本源切入，追溯光学发展历程、阐释光的本质与太阳能资源特性，并系统介绍各类光电化学装置的结构与原理，为后续学习筑牢理论根基；第2章聚焦光电极制备工艺，对比非原位（滴涂、旋涂、喷雾热解等）和原位（电化学沉积、水热/溶剂热、化学气相沉积等） 方法的技术特点、适用场景及操作要点，为光电极的可控合成提供实践指导；第3章围绕光电极表面调控这一核心环节，深入解析助剂修饰（单原子催化剂、量子点、MXene、金属有机框架等）与表面活化（湿化学、光辐照、热处理等） 策略对催化性能的提升机制，揭示结构与性能的构效关系；第4～7章则面向实际应用，分别针对光电催化分解水、二氧化碳还原、氮还原和高价值化学品合成四大体系，系统剖析反应动力学、核心原理、效率评价指标、关键材料设计及现存挑战，并结合最新研究成果对各领域未来发展方向进行展望。
本书的特色在于兼顾理论深度与实践价值：既对基础概念进行精准阐释又追踪学科前沿进展，既注重知识的系统性与逻辑性又融入大量具体技术细节与参考文献，便于读者溯源研究脉络、开展实验设计。期望本书能成为光电催化领域的优质参考资料，助力读者快速掌握核心知识、把握研究方向。
由于光电催化领域发展迅速，新理论、新技术不断涌现，加之编者水平有限，书中可能会存在疏漏与不足，恳请广大读者批评指正，以便在后续版本中持续完善。
在本书的编写过程中，大量国内外相关领域的文献、专著及研究资料为内容构建奠定了坚实基础，其承载的学术成果与思想精华给予我们诸多启发。在此，谨向这些文献资料的作者致以最诚挚的谢意。
最后，感谢所有为本书撰写提供帮助与支持的同仁，也感谢每一位关注光电催化领域发展的读者。

刘胜
2026 年3 月