Thuật ngữ quang xúc tác (photocatalysis) đã được dùng từ những năm 1920 để mô tả các phản ứng được thúc đẩy bởi sự tham gia đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác. Vào giữa những năm 1920, chất bán dẫn ZnO được sử dụng làm chất nhậy sáng (sensitizer) trong phản ứng quang hóa (photoreaction) phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Ngay sau đó TiO2 cũng đã được nghiên cứu về đặc điểm phân hủy quang (photodegradation) này. Hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực hóa quang bán dẫn (semiconductor photochemistry) diễn ra vào những năm 1960, dẫn đến việc ra đời pin hóa điện quang (photoelectrochemical cell), sử dụng TiO2 và Pt làm điện cực để thực hiện quá trình phân chia nước, vào đầu những năm 1970. Đầu
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
những năm 1980, TiO2 được sử dụng lần đầu tiên xúc tác cho các phản ứng quang phân hủy các hợp chất hữu cơ. Từ đó, các nghiên cứu trong lĩnh vực quang xúc tác chủ yếu tập trung vào lĩnh vực oxi hóa quang xúc tác các hợp chất hữu cơ trong môi trường nước và tiêu diệt các loại vi khuẩn, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi trong môi trường khí, ứng dụng trong xử lý môi trường.
Cho tới nay, nhiều chất bán dẫn có hoạt tính quang xúc tác đã được nghiên cứu như: TiO2 (năng lượng vùng cấm bằng 3,2 eV); SrTiO3 (3,4 eV), Fe2O3 (2,2 eV); CdS (2,5 eV); WO3 (2,8 eV); ZnS (3,6 eV); FeTiO3 (2,8 eV); ZrO2 (5 eV); V2O5 (2,8 eV); Nb2O5 (3,4 eV); SnO2 (3,5 eV)… Trong những chất bán dẫn trên, TiO2 được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất vì nó có năng lượng vùng cấm trung bình, không độc, diện tích bề mặt riêng cao, giá thành rẻ, có khả năng tái chế, hoạt tính quang hóa cao, bền hóa học và quang hóa. Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước, không khí khỏi các tác nhân ô nhiễm.
TiO2 là một chất bán dẫn nên trong phân tử của nó tồn tại hai dải năng lượng: dải dẫn điện có mức năng lượng cao hơn và dải hóa trị có mức năng lượng thấp hơn được ngăn cách bởi vùng cấm có năng lượng vào khoảng 3,2eV. Khi TiO2 được chiếu sáng bằng tia UV có bước sóng thích hợp, một electron từ dải hóa trị có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng của vùng cấm bị kích thích sẽ nhảy lên dải dẫn điện. Lúc này trên dải hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống (gọi là h+) mang điện dương và trên dải dẫn điện sẽ có một electron mang điện âm. Các lỗ trống (h+) và các electron (e-) có thể phản ứng với các chất khử và chất oxy hóa trên bề mặt của TiO2.
Lỗ trống được tạo ra trên dải hóa trị sẽ phản ứng với các hợp phần giàu electron như H2O, OH- (hấp phụ trên bề mặt) để tạo thành các gốc tự do HO• (các gốc này được hình thành và ở trạng thái hấp phụ trên bề mặt xúc tác). Các gốc này có khả năng oxy hóa mạnh và có thể phân hủy HCHO. Electron bị kích thích nhảy lên dải dẫn điện có thể phản ứng với O2 và OH-, sau đó cũng tạo thành các gốc O2° và HO• theo phương trình phản ứng
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
TiO2 + hν → e- CB + h+VB (1) TiO2 + hν → e-CB + h+VB (λ<400nm) (2) h+VB + H2O → OH- + H+ (3) h+ VB + OH- → HO• (4) h+VB + RX → RX• (5) e-CB + O2 → O2- (6) 2O2- + 2H2O → H2O2 + 2OH- + O2 (7) H2O2 + e-CB → HO• + OH- (8)
Các O2- sinh ra ở phương trình (6) cũng tham gia phản ứng với nước trong phương trình (7) để cuối cùng cũng tạo thành các gốc HO• oxy hóa mạnh trong phương trình (8). Hợp chất hữu cơ sẽ bị hấp phụ lên bề mặt TiO2 và bị oxy hóa bởi các gốc HO•, sản phẩm cuối cùng của phản ứng xúc tác quang hóa là các hợp chất vô cơ như CO2, H2O. Các phản ứng từ (1) đến (7) xảy ra tương đối dễ dàng vì H2O, O2, OH- bị hấp phụ lên trên bề mặt của TiO2.