材料表征-紫外（wài）－可見漫反射光譜（pǔ）法
在光催化研究中，固體紫外－可見（jiàn）光譜是研究光催化劑光學性（xìng）質的一個重要手段。半導體的能帶結（jié）構一般由低能價帶和高能導帶構成，價帶和導帶之間存（cún）在禁帶。當半導體顆粒吸收足夠的光子能量，價帶電子（zǐ）被激發越過禁帶進入空的導（dǎo）帶，而在（zài）價帶（dài）中留（liú）下一個空穴，形成電（diàn）子－空（kōng）穴對。這種（zhǒng）由於電子在帶（dài）間的躍遷所形成的吸收過程稱為半導體的本征吸（xī）收。要發生（shēng）本征吸收，光（guāng）子能量必須等於或大於禁帶的寬度Eg，即
 

hν0是能夠引起本征（zhēng）吸收的最低限度光子能量，即（jí）當（dāng）頻率低於（yú）ν0，或波長大於λ0時，不可能產（chǎn）生本征吸收，吸收係數迅速下降（jiàng）。這種吸收係數顯著下（xià）降的特征波長λ0（或特征頻率ν0）稱為半導（dǎo）體材料的本征吸收限。
在半導（dǎo）體材料吸（xī）收光譜中，吸光度曲線短波端陡峻地上升標誌著材料本征吸（xī）收的開始（shǐ），本征波長與禁帶Eg關係可以用下式表示出來：
因此根據半導體材料不（bú）同的禁帶寬度可以計算出相應的本征吸收長波限。
 

材料表（biǎo）征-穩態熒光光譜及時間分辨熒光光譜儀
穩態熒光譜儀一般由激（jī）發光（guāng）源、單色器、試樣池、光檢測器及讀數（shù）裝置等部件組成。熒光（guāng）光譜儀的光源主要有弧光（guāng）燈、固態發光二極管光源以及激光光源。弧光燈通（tōng）常具有較寬的連續輸出波（bō）長範圍（wéi），在穩態熒光光譜儀上的（de）應用最多，通常對於分子熒（yíng）光（guāng）檢測以（yǐ）及光致發光材料的檢測（cè）都具有較好的信號。但是對於熒光信號較弱的半導體（tǐ）固體（tǐ）材料，由於弧光燈光源經單色器（qì）分（fèn）光後，其（qí）光（guāng）強較（jiào）弱相應發射譜信號也較弱，這時很難探測到微弱的熒光信號。但是（shì）利用激光光（guāng）源強度大，單色性好的特點，可以大大提高熒光測定的靈敏度和檢測限，以激光為光源的熒光檢測技術被稱（chēng）為激光誘導熒光譜（Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF譜）。但是由於激光光源波長單一，因此實際測試（shì）中需選取合適的激發波（bō）長（zhǎng）進行相應的檢測。
 

在光催化及光伏（fú）研究中，對於光誘（yòu）導電荷分離及其遷（qiān）移過程的深入認識是一個非常關（guān）鍵的科學問題。通過研究半導體光催化材料的熒光衰減動力學信息，對於理解納米尺度電荷及能量的傳輸過程都異常重要。通過時間分辨熒光光譜（Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy）的測量能夠直接獲得熒光衰減曲線（熒光強度－時（shí）間曲線），從而獲得瞬態相關的物（wù）理機製，如圖1所示。通過對於原始衰變數據的合理擬合，我們可以定性判斷（duàn）在光激發過程中特定的物（wù）理機（jī）製。
為了獲（huò）得熒光壽（shòu）命，除了測量熒光衰減曲線還必須測量儀器響應函數（即激發脈（mò）衝）。因為燈或激光脈衝的時間寬度是有限的，這會（huì）使樣品本征的熒光反應產生畸變。在典型的實驗中，要測量（liàng）兩條曲線：儀器（qì）響應函數和熒（yíng）光衰（shuāi）減（jiǎn）曲線。然（rán）後把儀器響應函數（shù）與模型（xíng）函數（單指數函數或雙指數函數）的卷積（jī）與實（shí）驗衰減結果比較。通過這一迭代數值過程直到與實驗衰減曲線一致。
 圖1 實驗激光（guāng）曲線，衰減曲（qǔ）線（點狀（zhuàng）函數）和最佳數值擬合曲線。真（zhēn）正的（de）指數（shù）函數代表了衰（shuāi）減模型。
 
材料表征（zhēng）-表麵光（guāng）電壓原理
表麵（miàn）光電壓是固體表（biǎo）麵的光生伏特效應，是光致電子躍遷的結果。早在（zài）1876 年（nián），W. G. Adams就發（fā）現了這一現象，然而直到1948年才將這一（yī）效應作為光譜檢測技術應用於半導體（tǐ）材料的特征參數和表（biǎo）麵特性研究（jiū）上，這種光（guāng）譜技術被稱為表（biǎo）麵光電壓技術（Surface Photovoltaic Technique，SPV）或表麵光電壓譜（Surface Photovoltage Spectroscopy，簡稱SPS）。表麵光電壓技術是一種研究半導體（tǐ）特征（zhēng）參數的極佳途徑，這（zhè）種方（fāng）法是通過對材料光致表麵電壓的改變進（jìn）行分析來獲得相關信息（xī）的。1970年（nián），表麵光電壓研究獲得重大突破，美國麻省理工學院Gates教授領導的研究小組在用低於禁帶寬度能量的光照射CdS表麵時曆史性的第一次獲得（dé）入射光波長與表麵光（guāng）電壓的譜圖，並以此來確定表（biǎo）麵態的能級，從而形成了表麵光電壓譜這一新的研究測試手段。
 
  SPS作為一（yī）種光譜技（jì）術具有許多優（yōu）點：第一，它是一種作用光譜，可以在不汙染樣品、不破壞樣（yàng）品形貌（mào）的條件下直接進行測試，也可測定那些在透射光譜儀上難以測試的光學不透（tòu）明樣品；第二，SPS所檢測（cè）的信息主（zhǔ）要反映的是樣品表層（一般（bān）是幾十（shí）納米）的性（xìng）質，因此受基底的影響較弱（ruò），這一點（diǎn）對於光敏材料表麵的性（xìng）質及界麵電子過程研究顯然很重要；第三（sān），由於SPS的原理是基於檢測由入（rù）射光誘導的表麵電（diàn）荷的變化（huà），因而（ér）其具有較高的靈敏（mǐn）度（dù）,大約是108 q/cm2（或者說每（měi）107個表（biǎo）麵原子或離子有一個單位電（diàn）荷），高於XPS或Auger電子能譜等標準光譜或能譜幾個數量級。表麵光電壓譜可以給出諸如表麵能帶彎曲，表麵和體相電（diàn）子與空穴複合，表麵態分（fèn）布等信息，是在光輔（fǔ）助下對電子與（yǔ）空穴分離及傳輸行為研究的有力手段，是評價光催化（huà）材料活性的（de）一個十分有效的方法。
 

圖2 表麵光電（diàn）壓檢測裝置（zhì）
 
  表麵光電壓檢測裝置主要由光源、單色（sè）器、斬波器與鎖相放大器、光（guāng）電壓池以及信號采集軟件構成，如圖2所示。一般采用氙燈作為光源，其在紫（zǐ）外及可見光譜範圍光強都比較（jiào）強。氙燈發射的光經透鏡係統處理獲得平行出射光，並進入光柵單（dān）色儀。經由光柵（shān）單色儀可以獲得具有較高分辨率的單色光，並經過外部光路引入光電壓池。
  由於表（biǎo）麵光電壓信號非常微弱，並且十分容易受到外界電磁信號幹擾，因此表麵光電壓通常基於鎖相放大器（qì）進行測量。利用斬波器對入射光信號進行調製，通（tōng）過鎖相放大器獲得與斬波器具有相同頻率的疊加在（zài）較大噪音背景下的微（wēi）弱光電壓信（xìn）號。這一測試係統即（jí）使有用（yòng）的信號被（bèi）淹（yān）沒在噪聲信號裏麵，並且噪聲信號比有用的信號大很多，隻要（yào）知道所采集（jí）信號的頻率值，就能準確地測（cè）量出這個信（xìn）號的幅值。
除此外（wài），電（diàn）場誘導的表（biǎo）麵光電壓譜（pǔ）（Electron-Field-Introduced SPS, EFISPS）是在SPS的基礎上，研究在外電場作用下納（nà）米粒子表麵光生電子和空穴的遷移及空間電荷（hé）層變化的一種作用光譜，也具（jù）有非常多的應用。
 
材料表征-表（biǎo）麵光電流
  表（biǎo）麵（miàn）光電壓譜技術雖然能夠獲得光催化劑重要的物理及化學性能，但（dàn）是這種方法所得到的信息同光催化劑在反應中的具體（tǐ）行為之間仍（réng）然具有一定的差異，有可能（néng）沒有完全真實（shí）地反映光催化劑在（zài）降解汙（wū）染物過程中所表現出的催化性能（néng）。因此，需要一種能直接針（zhēn）對光催（cuī）化（huà）反應體係進行動態測量的手段。但對於懸浮體係很難實（shí）現反應過程的動態測量，而對於催化劑電極體係則可以實現反應過程的動態檢測，從而為光電催化甚至光催化的動力學及其機理提供有用的信息。
 
  光照射半導體（tǐ）電極會在電路中（zhōng）產生電流，這是由於光電（diàn）效應的原因，這（zhè）個電流（liú）是由電極發射（shè）出來的電子產生的，所以叫做光電流。當入（rù）射光的能量大於（yú）半導體的（de）能隙寬度時（shí），電子由價帶向導帶躍遷產生空穴－電子對，光生電子沿導線向另一電（diàn）極遷移產生電流，並且光電流的強（qiáng）度與入（rù）射光的（de）強度成正比。可見，產生的光電流強度與入射光（guāng）的強度（dù）及（jí）半（bàn）導體的本（běn）身性質緊密相關，可用光電（diàn）流（liú）譜（pǔ）研究光誘導下光催化劑（jì）電子與空穴分離和遷移過程。
 
  目（mù）前，常用的方法是首先將（jiāng）光催化劑做成多孔膜電極，以（yǐ）Pt電極作為對電極，組成電解池，在單色光照射下，檢測產生的光電流。在光催化劑薄膜（mó）上的光誘導電子分離效果如圖（tú）3所示（shì）。圖中所示利用光催化劑溶膠製作的薄膜，顆粒之間是緊密結合在一起的，並且具有多晶半導體膜的光電化學特性。在有（yǒu）紫外光照射的條件（jiàn）下（xià），光致空穴（xué）向顆粒/溶液界麵上移動（dòng），而光致電子則移向OTE/ Photocatalyst電極[9]。