Cơ chế của g-C3N4 được thể hiện ở hình 1-2. Về cơ bản, phản ứng quang hóa bao gồm 7 giai đoạn chính, có thể chia thành 4 quá trình: Giai đoạn 1: Thu nhận ánh sáng, Giai đoạn 2: Electron bị kích thích, giai đoạn 3,4,5: Electron và photon di chuyển, giai đoạn 7: Phản ứng quang hóa trên bề mặt xảy ra do electron khử còn photon oxi hóa. Thông thường, một electron ở vùng hóa trị có thể nhận ánh sáng và được kích thích nhảy lên vùng dẫn với bước sóng ánh sáng có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng cấm vả giải phóng lỗ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
14
SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019
trống quang sinh trong vùng hóa trị. Cấu trúc năng lượng vùng cấm của một số xúc tác quang điển hình được đưa ra trong bảng sau.
Hình 1-2 Cơ chế xúc tác quang [44]
Chất bán dẫn Cấu trúc tinh thể Cấu trúc năng lượng Tham khảo CB VB Eg/eV TiO2 Anatase -0.5 2.7 3.2 [45] Cu2O -1.16 0.85 2.0 [46] CdS -0.9 1.5 2.4 [47] g-C3N4 -1.3 1.4 2.7 [48] g-C3N4 -1.53 1.16 2.7 [48] Ta3N5 -0.75 1.35 2.1 [48]
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên 15 SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019 TaON -0.75 1.75 2.5 [49] BiVO4 -0.3 2.1 2.4 [49] WO3 -0.1 2.7 2.8 [50] Ag3PO4 cubic 0.04 2.49 2.45 [51]
Bảng 1-3 Cấu trúc năng lượng của một số chất bán dẫn Bảng 1-4 Khả năng ô xhi hóa – khử của một số chất điển hình [52]
Theo bảng 1-2, so sánh với TiO2 và WO3, g-C3N4 có vùng hóa trị rất thấp -1.3V với pH =7 và năng lượng vùng cấm mức trung bình (2.7 eV), điều này cho phép carbon nitride có ứng dụng lớn trong xúc tác quang với ánh sáng miền nhìn thấy. Tuy nhiên để có thể ứng dụng tốt hơn trong miền nhìn thấy, năng lượng vùng cấm của carbon nitride cần được làm giảm thấp xuống bằng việc doping hoặc các cách khác…Thêm vào đó, sự tái tổ hợp electron và lỗ trống quang sinh trong khối g-C3N4 trên bề mặt gây bất lợi cho việc di chuyển electron và photon đến bề mặt hay tâm hoạt động bên trong của xúc tác ( giai đoạn 3), điều này được
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PGS.TS. Nguyễn Hồng Liên
16
SVTH: Trần Thị Kiều Trinh Tháng 6/2019
xem là yếu tố quyết định đến hiệu quả của xúc tác. Chỉ có electron và photon đủ năng lượng để đi lên bề mặt của xúc tác mà không bị tái tổ hợp mới có thể thực hiện phản ứng oxi hóa – khử, đồng thời với đó là chất khử và chất oxi hóa phải có E0 nhỏ hơn hoặc lớn hơn nức CB và VB của xúc tác. Theo bảng 1-3, có thể thấy một số phản ứng điển hình tại pH=7. Để nâng cao hiệu suất xúc tác quang của g-C3N4, các giai đoạn trong 4 quá trình đều cần được củng cố và tối ưu.