Vật liệu xúc tác quang hoá
Vật liệu xúc tác quang trên cơ sở có hoạt tính xúc tác quang hoá với năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng có thể tham gia vào các giai đoạn
trung gian của phản ứng hoá học làm thay đổi tốc độ phản ứng và được bảo toàn sau khi kết thúc.
Quá trình quang hoá xảy ra khi có xúc tác quang được chia thành 6 giai đoạn như sau:
Giai đoạn 1: Khuếch tán các chất phản ứng từ pha lỏng hoặc khí đến bề mặt xúc tác.
Giai đoạn 2: Hấp thụ các chất tham gia phản ứng lên bề mặt xúc tác.
Giai đoạn 3: Hấp thụ photon ánh sáng, phân tử chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích electron.
Giai đoạn 4: Xảy ra phản ứng quang hoá gồm phản ứng quang hoá sơ cấp và phản ứng quang hoá thứ cấp.
Giai đoạn 5: Nhả hấp thụ các sản phẩm.
Giai đoạn 6 : Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí và lỏng.
Trong phản ứng quang hoá, xúc tác được hoạt hoá bởi sự hấp thụ ánh sáng.
Các phân tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề mặt chất xúc tác gồm hai loại:
– Các phân tử có khả năng nhận e (Acceptor).
– Các phân tử có khả năng cho e (Donor).
Khi quá trình chuyển điện tích xảy ra, các phân tử có thể bị hấp phụ trước trên bề mặt chất xúc tác, các electron ở vùng dẫn sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng nhận electron (A), và quá trình khử xảy ra, còn các lỗ trống sẽ chuyển đến nơi có các phân tử có khả năng cho electron (D) để thực hiện phản ứng oxy hoá:
hu + (SC) * e- + h+
A(ads) + e * A (ads)
D(ads) + h+ * D+(ads)
Trong đó SC là tâm bán dẫn trung hoà. Các ion A-(ads) và D+(ads) sau khi được hình thành sẽ phản ứng với nhau qua một chuỗi các phản ứng trung gian và sau đó cho ra các sản phẩm cuối cùng. Như vậy quá trình hấp thụ photon của chất xúc tác là giai đoạn khởi đầu cho toàn bộ chuỗi phản ứng. Trong quá trình xúc tác quang, hiệu suất lượng tử có thể bị giảm bởi sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống.
e- + h+ * (SC) + E
Trong đó E là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng bức xạ điện từ ( hu’< hu ) hoặc nhiệt. Hiệu quả của quá trình quang xúc tác có thể được xác định bằng hiệu suất lượng tử.
Khi một phân tử chất bán dẫn bị kích thích và phân ly ra một electron kèm theo một lỗ trống, số electron này có thể chuyển tới chất phản ứng, số còn lại kết 4 hợp với lỗ trống để tạo lại một phân tử trung hòa. “Bẫy điện tích” được sử dụng để thúc đẩy sự bẫy điện tử và lỗ trống ở bề mặt, tăng thời gian tồn tại của electron và lỗ trống trong bán dẫn.
Điều này dẫn tới việc làm tăng hiệu quả của quá trình chuyển điện tích tới chất phản ứng. Bẫy điện tích có thể được tạo ra bằng cách biến tính bề mặt chất xúc tác như đưa thêm kim loại, chất biến tính vào hoặc sự tổ hợp với các chất xúc tác bán dẫn khác dẫn tới sự giảm tốc độ tái kết hợp điện tử – lỗ trống và tăng hiệu suất lượng tử của quá trình quang xúc tác.
Có rất nhiều hợp chất được sử dụng làm chất xúc tác quang như: TiO2, ZnO, Cu2O, ZnS, CdS… khi được chiếu sáng có năng lượng photon (hu) thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm Egb (hu > Egb), sẽ tạo ra các cặp electron (e-) và lỗ trống (h+). Các e được chuyển lên vùng dẫn (quang electron), còn các lỗ trống ở lại vùng hoá trị.