Khung hữu cơ kim loại đƣợc chọn là một giải pháp thay thế tiềm năng, do sự phân bố đồng đều của các vị trí hoạt động, cấu trúc phân cực cũng nhƣ các đặc điểm vốn có của lai hữu cơ – vô cơ. MOFs sở hữu đặc tính bán dẫn hấp dẫn, trong đó, các thành phần chức năng phân tử khác nhau đƣợc tích hợp để tạo ra ánh sáng tới và thậm chí là các phản ứng hóa học hữu ích đƣợc điều khiển bằng quang xúc tác khác nhau.
Mặc dù không có sự đồng thuận trong cộng đồng khoa học về cách xác định thích hợp xúc tác quang, thuật ngữ này thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả một quá trình mà ánh sáng đƣợc sử dụng để kích hoạt một chất - chất xúc tác quang - điều chỉnh tốc độ của một phản ứng hóa học mà chính nó không có tham gia vào quá trình biến đổi hóa học. Do đó, sự khác biệt chính giữa chất xúc tác nhiệt thông thƣờng và chất xúc tác quang là chất trƣớc đƣợc kích hoạt bằng nhiệt trong khi chất xúc tác sau đƣợc kích hoạt bởi các photon có năng lƣợng thích hợp. Định nghĩa của IUPAC về xúc tác quang là “Một phản ứng xúc tác liên quan đến sự hấp thụ ánh sáng của chất nền”. Theo nghĩa thực tế, thuật ngữ xúc tác quang đƣợc sử dụng cho các phản ứng hóa học xảy ra khi có
14
ánh sáng và chất xúc tác quang. Nguyên tắc của xúc tác quang dựa trên sự hoạt hóa của vật liệu dạng hạt bán dẫn bằng tác dụng của bức xạ có bƣớc sóng thích hợp. Xúc tác quang đƣợc sử dụng để loại bỏ một số chất ô nhiễm (ví dụ, ankan, anken, phenol, chất thơm, thuốc trừ sâu) và khoáng hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ. Mặt khác, xúc tác quang phụ thuộc vào các gốc hydroxyl đƣợc tạo quang tại chỗ (•OH), các gốc superoxide (O2•–) và tích điện dƣơng (h+) để phân hủy hoàn toàn các chất bẩn hữu cơ. Một số chất xúc tác quang nhƣ CdS, Fe2O3, ZnO, WO3, ZnS, v.v. đã đƣợc nghiên cứu, nhƣng kết quả tốt nhất đã thu đƣợc với TiO2. TiO2 luôn đƣợc đánh giá là vật liệuquang xúc tác tiềm năng trong vùng ánh sáng tử ngoại (UV) do có nhiểu ƣu điểm nổi trội nhƣ độ rộng vùng cấm lớn (~3,2 eV), độ bền hóa học cao, khả năng oxi hóa mạnh,thân thiện với môi trƣờng và rẻ tiền [46]. Hình 1.12 minh họa cơ chế của xúc tác quang TiO2. Chỉ các photon có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng vùng cấm (ΔE) mới có thể dẫn đến kích thích các electron vùng hóa trị (VB), sau đó thúc đẩy các phản ứng có thể xảy ra. Sự hấp thụ của các photon có năng lƣợng thấp hơn ΔE hoặc bƣớc sóng dài hơn thƣờng gây ra sự tiêu tán năng lƣợng dƣới dạng nhiệt. Sự chiếu sáng của bề mặt quang xúc tác với đủ năng lƣợng dẫn đến sự hình thành lỗ trống dƣơng (hv+
) trong vùng hóa trị và một điện tử (e−) trong vùng dẫn (CB). Lỗ trống dƣơng sẽ oxy hóa chất ô nhiễm trực tiếp hoặc nƣớc để tạo ra các gốc OH, trong khi điện tử trong vùng dẫn làm giảm oxy bị hấp phụ trên chất xúc tác (TiO2) [47].
15
Hình 1. 12. Sơ đồ cơ chế của xúc tác quang TiO2 [47]
Gần đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra các phản ứng hóa học và mang lại hiệu quả quang xúc tác cao dựa trên sử dụng vật liệu MOFs làm chất xúc tác hoặc biến tính MOFs làm xúc tác cho. MOFs với các tâm kim loại chuyển tiếp trong cấu trúc, trong nhiều phản ứng hữu cơ nhƣ phân tách nƣớc và phân hủy hợp chất hữu cơ độc hại chúng đƣợc đánh giá có khả năng đóng vai trò nhƣ axít Lewis.