Z 2= trạng thái chuyển tiếp trong phản ứng xúc tác dị thể (hợp chất bề mặt)
5.3.3.3 Xúc tác bán dẫn [16, 35, T27]
Chất bán dẫn là nhóm các chất rắn phi kim có cấu trúc điện tử khác kim loại. Thuyết vùng được sử dụng khá tốt để giải thích tính xúc tác của nhóm bán dẫn.
Trong tinh thể bán dẫn có hai vùng phân biệt rõ: vùng năng lượng thấp chứa các điện tử hoá trị (vùng hoá trị − VB) và vùng năng lượng cao chứa các điện tử dẫn (vùng dẫn − CB). Trong điều kiên thường các điện tử chỉ cư trú ở vùng hoá trị, khi đó chất bán dẫn không dẫn điện. Nếu vùng dẫn có điện tử lập tức nó trở thành chất dẫn điện.
Giữa hai vùng không có orbital để điện tử có thể cư trú nên gọi là vùng cấm, có độ rộng ε
(eV) nào đó. Người ta phân biệt bán dẫn thực hay i- (intrinsic), bán dẫn loại n, hay loại p
[T27]. Trong bán dẫn loại i điện tử được sinh ra khi dưới tác dụng của nhiệt hoặc bức xạ điện tử sẽ thoát ra khỏi nguyên tử chứa nó nhảy lên CB, để lại một lỗ trống (Hình 5.29). Hiện tượng quang điện là một ví dụ.
Hình 5-29 Bán dẫn thực và hiện tượng kích thích tạo điện tích
Nếu năng lượng kích thích lớn hơn hoặc bằng bề rộng vùng cấm, điện tử sẽ nhảy từ vùng hoá trị lên một orbital trống ở vùng dẫn, đồng thời để lại một lỗ trống mang điện dương ở vùng hoá trị. Bề rộng vùng cấm ε được tính từ mức năng lượng thấp nhất của CB tới mức năng lượng cao nhất của VB. Bảng 5.21 cho ta giá trị bề rộng vùng cấm của một số vật liệu.
Bảng 5-21 Năng lượng kích thích bứt điện tử của một số vật liệu
Chất / Nguyên tố Năng lượng kích thích ε, eV (H.5.29)
C (kim cương)Si Si Ge Sn (xám) 5,2 1,09 0,6 0,08
Phần các điện tử có thể nhảy lên CB nhờ chuyển động nhiệt có thể tính qua phân bố Boltzmann exp(ε/2kT). Trong xúc tác bán dẫn loại i rất ít gặp; ta gặp chủ yếu là bán dẫn loại n và loại p. Thường chúng là các ôxit hoặc sulphua không tỷ lượng. Thông thường độ dẫn của chúng thấp nhưng có thể tăng bằng các tác nhân biến tính thích hợp.
Giả thiết trong tinh thể bán dẫn xuất hiện các nguyên tử cho điện tử hay donor, đây là những nguyên tử dễ mất điện tử khi đun nóng. Các điện tử này sẽ nằm ở vùng cấm, ngay dưới CB, vì vậy chúng chỉ cần một năng lượng Ei tối thiểu là có thể nhảy lên CB (Hình 5.30a). Như vậy lỗ trống chính là nguyên tử donor vừa mất điện tử, khi đó chúng ta có trường hợp độ dẫn được gây ra bởi điện tử hay độ dẫn loại n (n = negative).
Hình 5-30 Bán dẫn và hoạt động của chúng theo kiểu: