6. Cấu trúc luận văn
1.3.4. Cơ chế quang xúc tác củaTiO2
TiO2 tồn tại ở ba dạng thù hình nhưng khi ở dạng tinh thể anatase TiO2
có hoạt tính quang xúc tác cao nhất so với hai dạng còn lại.
Khi đó, nếu chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp thì xảy ra sự chuyển điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn. Tại vùng hóa trị có sự hình thành các gốc OH∙ và RX+:
TiO2 (h+) + H2O → OH∙ + H+ + TiO2
TiO2 (h+) + OH- → OH∙ + TiO2
Tại vùng dẫn có sự hình thành của các gốc O2- và HO2∙ TiO2 (e-) + O2 → O2- + TiO2 O2-+ H+→ HO2∙ 2HO2∙→ H2O2 + O2 TiO2 (h+) + H2O → OH∙+ H+ + TiO2 TiO2 (e-) + H2O2 → HO∙+ HO- + TiO2 H2O2 + O2 → O2 + HO2∙+ HO-
Sự hấp thụ photon sinh ra electron và lỗ trống chính là yếu tố cần thiết cho quá trình xúc tác quang hóa. Tuy nhiên có một quá trình khác cũng xảy ra đồng thời trên bề mặt chất xúc tác đối lập với sự kích thích quang làm sinh ra cặp electron - lỗ trống đó là quá trình tái kết hợp của electron - lỗ trống. Đây là yếu tố chính làm hạn chế hiệu quả quá trình quang xúc tác. Phương trình mô tả quá trình tái kết hợp có thể coi là ngược lại với phương trình sau:
e- + h+ → (SC) + E.
Trong đó (SC) là tâm bán dẫn trung hòa và E là năng lượng được giải phóng ra dưới dạng một photon (bức xạ quang) hoặc phonon (nhiệt). Quá trình này có thể diễn ra dưới hình thức tái kết hợp bề mặt hoặc tái kết hợp thể tích. Sự khác biệt giữa TiO2 dạng anatase với rutile là: dạng anatase có khả năng khử O2 thành O2- còn rutile thì không. Do đó TiO2 anatase có khả năng nhận đồng thời oxy và hơi nước từ không khí cùng ánh sáng để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Tinh thể TiO2 anatase dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại đóng vai trò như một cầu nối trung chuyển điện tử từ H2O sang O2, chuyển hai chất này thành dạng O2- và OH∙ là hai dạng có hoạt tính oxi hóa cao có khả năng phân hủy chất hữu cơ thành nước và cacbonic [5].
Hình 1.9. Cơ chế quang xúc tác của TiO2