Quỏ trỡnh xỳc tỏc quang dị thể cú thể được tiến hành ở pha khớ hoặc pha lỏng. Cũng giống như cỏc quỏ trỡnh xỳc tỏc dị thể khỏc, quỏ trỡnh xỳc tỏc quang dị thể được chia thành cỏc giai đoạn như sau:
(1). Khuếch tỏn cỏc chất tham gia phản ứng từ pha lỏng hoặc khớ đến bề mặt chất xỳc tỏc.
(2). Hấp phụ cỏc chất tham gia phản ứng lờn bề mặt chất xỳc tỏc.
(3). Hấp thụ photon ỏnh sỏng, sinh ra cỏc cặp điện tử - lỗ trống trong chất xỳc tỏc, và khuyếch tỏn đến bề mặt vật liệu.
(4). Phản ứng quang húa, được chia làm hai giai đoạn nhỏ:
♦ Phản ứng quang húa sơ cấp, trong đú cỏc phõn tử chất xỳc tỏc bị kớch thớch (cỏc phõn tử chất bỏn dẫn) tham gia trực tiếp vào phản ứng với cỏc chất hấp phụ lờn bề mặt.
♦ Phản ứng quang húa thứ cấp, cũn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng nhiệt, đú là giai đoạn phản ứng của cỏc sản phẩm thuộc giai đoạn sơ cấp.
(5). Nhả hấp phụ cỏc sản phẩm.
(6). Khuếch tỏn cỏc sản phẩm vào pha khớ hoặc lỏng.
Tại giai đoạn (3), phản ứng xỳc tỏc quang hoỏ khỏc phản ứng xỳc tỏc truyền thống ở cỏch hoạt hoỏ xỳc tỏc. Trong phản ứng xỳc tỏc truyền thống, xỳc tỏc được hoạt hoỏ bởi nhiệt cũn trong phản ứng xỳc tỏc quang hoỏ, xỳc tỏc được hoạt hoỏ bởi sự hấp thụ ỏnh sỏng.
Điều kiện để một chất cú khả năng xỳc tỏc quang: * Cú hoạt tớnh quang hoỏ.
* Cú năng lượng vựng cấm thớch hợp để hấp thụ ỏnh sỏng tử ngoại hoặc ỏnh sỏng nhỡn thấy.
Quỏ trỡnh ban đầu của xỳc tỏc quang dị thể với chất hữu cơ và vụ cơ bằng chất bỏn dẫn (Semiconductor Catalyst) là sự sinh ra của cặp điện tử - lỗ trống trong chất bỏn dẫn. Cú rất nhiều chất bỏn dẫn khỏc nhau được sử dụng làm chất xỳc tỏc quang như: TiO2, ZnO, ZnS, CdS… Khi được chiếu sỏng cú
năng lượng photon (hυ) thớch hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lượng vựng cấm Eg (hυ ≥ Eg), thỡ sẽ tạo ra cỏc cặp electron (e-) và lỗ trống (h+). Cỏc điện tử được chuyển lờn vựng dẫn CB (Conduction band) (quang electron), cũn cỏc lỗ trống ở lại vựng hoỏ trị VB (Valence band).
Cỏc phõn tử của chất tham gia phản ứng hấp phụ lờn bề mặt chất xỳc tỏc gồm hai loại:
* Cỏc phõn tử cú khả năng nhận e- (Acceptor - A). * Cỏc phõn tử cú khả năng cho e- (Donor - D).
Quỏ trỡnh chuyển điện tử cú hiệu quả hơn nếu cỏc phõn tử chất hữu cơ và vụ cơ bị hấp phụ trước trờn bề mặt chất xỳc tỏc bỏn dẫn (SC). Khi đú, cỏc quang electron ở vựng dẫn sẽ chuyển đến nơi cú cỏc phõn tử cú khả năng nhận electron (A), và quỏ trỡnh khử xảy ra, cũn cỏc lỗ trống sẽ chuyển đến nơi cú cỏc phõn tử cú khả năng cho electron (D) để thực hiện phản ứng oxy hoỏ:
hυ + (SC) e- + h+
Aads + e- A- ads
Dads + h+ D+ ads
Cỏc ion A-(ads) và D+(ads) sau khi được hỡnh thành sẽ phản ứng với nhau qua một chuỗi cỏc phản ứng trung gian và sau đú cho ra cỏc sản phẩm cuối cựng. Như vậy quỏ trỡnh hấp thụ photon của chất xỳc tỏc là giai đoạn khởi đầu cho toàn bộ chuỗi phản ứng. Trong quỏ trỡnh quang xỳc tỏc, hiệu suất lượng tử cú thể bị giảm bởi sự tỏi kết hợp của cỏc electron và lỗ trống.
e- + h+ (SC) + E Trong đú:
(SC): tõm bỏn dẫn trung hũa.
E: là năng lượng được giải phúng ra dưới dạng bức xạ điện từ (hυ’ ≤ hυ) hoặc nhiệt.
Hỡnh 1.14. Cơ chế xỳc tỏc quang của chất bỏn dẫn
Hỡnh 1.15. Phổ hấp thụ UV của cỏc hạt ZnO với lớp hoạt tớnh bề mặt khỏc nhau