Thuật ngữ quang xỳc tỏc hay xỳc tỏc quang húa (photocatalysis) đó được dựng từ những năm 1920, thường được cỏc nhà khoa học nhắc đến trong một số lĩnh vực xử lý và làm sạch mụi trường. Trong quang xỳc tỏc, người ta sử dụng vật liệu cú tớnh chất xỳc tỏc kết hợp với yếu tố ỏnh sỏng. Như vậy, phản ứng xỳc tỏc quang húa chỉ xảy ra khi cú hai yếu tố: vật liệu cú tớnh xỳc tỏc và ỏnh sỏng. Phản ứng xỳc tỏc
quang húa sẽ tạo ra cỏc tỏc nhõn ụxi húa và khử mạnh, đặc biệt là gốc tự do ●OH [7].
Hỡnh 1.18. Sơ đồ quỏ trỡnh phõn hủy chất hữu cơ trong phản ứng quang xỳc tỏc của cỏc chất bỏn dẫn [27, 142, 149].
Khi vật liệu quang xỳc tỏc được chiếu ỏnh sỏng thớch hợp với năng lượng photon lớn hơn hoặc bằng giỏ trị độ rộng vựng cấm của vật liệu, cỏc điện tử sẽ nhận năng lượng và chuyển từ vựng húa trị lờn vựng dẫn. Ở vựng húa trị sẽ cú những lỗ
trống mang điện tớch dương (h+) do thiếu điện tử và trờn vựng dẫn sẽ cú cỏc điện tử
mang điện tớch õm (e), chỳng tạo thành cỏc cặp điện tử - lỗ trống. Cỏc điện tử và lỗ
trống cú thể tỏi hợp lại, hoặc di chuyển, khuếch tỏn ra bề mặt vật liệu, phản ứng với cỏc chất hữu cơ bờn ngoài và cú thể phõn hủy chỳng [5].
Cỏc quỏ trỡnh cơ bản xảy ra trong quang xỳc tỏc cú thể túm tắt như sau [45, 151]:
1. Quỏ trỡnh hấp thụ photon tạo cỏc cặp điện tử - lỗ trống:
Vật liệu quang xỳc tỏc + hυ → e– + h+ (1.6)
2. Sự tỏi hợp điện tử - lỗ trống bờn trong và trờn bề mặt vật liệụ
3. Quỏ trỡnh di chuyển của điện tử, lỗ trống ra bề mặt vật liệu và phản ứng với
phõn tử ụxi và nước tạo cỏc gốc tự do ●OH cú khả năng ụxi húa caọ
h+ + H2O → ●OH + H+ (1.7)
e– + O2 → O2– (1.9)
2O2– + 2H2O → H2O2 + 2OH– + O2 (1.10)
e– + H2O2 → ●OH + OH– (1.11)
4. Quỏ trỡnh phản ứng phõn hủy cỏc chất hữu cơ:
Chất hữu cơ + ●OH → CO2 + H2O + Chất vụ cơ (1.12)
Chất hữu cơ + O2– → CO2 + H2O + Chất vụ cơ (1.13)
Phương trỡnh (1.7), (1.8) mụ tả phản ứng của cỏc lỗ trống và OH– phõn ly từ
nước để trực tiếp tạo thành cỏc gốc tự do ●OH. Đõy là phản ứng quan trọng nhất
trong chuỗi phản ứng quang xỳc tỏc.
Cỏc phản ứng liờn quan đến cỏc e– khụng trực tiếp tạo ra cỏc gốc tự do ●OH
mà phải qua sự hỡnh thành H2O2 theo phương trỡnh (1.9) và (1.10). Do đú, trong một
số nghiờn cứu người ta cũng thờm thành phần H2O2 vào mụi trường để kớch thớch
tăng thờm cỏc gốc tự do ●OH. Sự hỡnh thành nhiều cỏc e– cũng đồng nghĩa với việc
hỡnh thành nhiều cỏc lỗ trống. Cỏc gốc tự do ●OH, O2– cú khả năng ụxi húa cao, dễ
dàng tham gia phản ứng ụxi húa cỏc hợp chất hữu cơ sinh ra cỏc sản phẩm phõn
hủy, cú thể là CO2 và H2Ọ
Cú nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang húa, bao gồm: khối lượng chất xỳc tỏc; nồng độ dung dịch, độ pH của dung dịch; bước súng ỏnh sỏng kớch thớch, nhiệt độ, hiệu suất lượng tử, hiện tượng hấp phụ, chất nhạy sỏng hấp phụ trờn bề mặt bỏn dẫn, sự tạo phức vũng, phức càng trờn bề mặt, cỏc anion muối vụ cơ, cỏc tinh thể kim loại gắn trờn xỳc tỏc… (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});