Năm 1930, khái niệm quang xúc tác ra đời. Trong hóa học, nó dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của ánh sáng và chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra. Khi có sự kích thích của ánh sáng, trong chất bán dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và có sự trao đổi electron giữa các chất bị hấp thụ, thông qua cầu nối là chất bán dẫn. Bằng cách như vậy, chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng quang hóa, cụ thể là tạo ra một loạt quy trình giống như phản ứng oxy hóa - khử và các phân tử ở dạng chuyển tiếp có khả năng oxy hóa - khử mạnh khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp.
Vật liệu g-C3N4 tuy có thể phân tách nước thành hidro dưới sự chiếu sáng của ánh sáng nhìn thấy, nhưng lượng hidro thu được là rất thấp và không thỏa mãn cho ứng dụng công nghiệp. Vì vậy những nghiên cứu hiện nay đang thực hiện nhằm mục đích nâng cao hiệu quả quang xúc.
Dưới tác dụng của ánh sáng cơ chế xúc tác được mô tả như hình 1.11. Dưới đây là hình ảnh minh họa cơ chế quang xúc tác của vật liệu g-C3N4 và một số vật liệu composite trên nền g-C3N4.
Quá trình vật liệu bán dẫn hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt trời tạo thành cặp electron- lỗ trống quang sinh.
A(chất bán dẫn) +hv𝑒𝐶𝐵−
Quá trình di chuyển cặp electron - lỗ trống quang sinh lên bề mặt bán dẫn. Quá trình tái hợp cặp electron - lỗ trống quang sinh bên trong và trên bề mặt bán dẫn, tạo các gốc tự do bởi electron - lỗ trống. Các electron - lỗ trống có khả năng tương tác nhanh hơn so với các tác nhân xúc tác trong các phản ứng hóa học thông thường. Đồng thời các electron - lỗ trống chuyển tới bề mặt và tác dụng với một số chất bị hấp thụ như nước và oxy, tạo ra các gốc tự do trên bề mặt chất bán dẫn.
ℎ𝑉𝐵+ + 𝐻2 O𝐻𝑂∗+𝐻+
Các gốc tự do HO* và O2*đóng vai trò quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với chúng. GốcHO* là một tác nhân có tính oxy hóa rất mạnh và có khả năng oxy hầu hết các chất hữu cơ. Quá trình phân hủy một số chất hữu cơ gây ô nhiễm như sau.
R + HO* CO2 + H2O +…. Phản ứng phân hủy xảy ra đối với các hợp chất chứa nitơ
R-N=N-R* +HO* R -N = N*+ R* - OH R-N=N* R* - N2
R* HO* phân hủy
Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy các chất hữu cơ gây ra ô nhiễm là CO2 và H2O và một số chất vô cơ khác. Sự tái kết hợp electron- trống: lỗ trống mang điện dương tự do chuyển động trong vùng hóa trị, do đó các electron khác có thể nhảy vào đó để bão hòa điện tích, bên cạnh đó chúng cũng để lại một lỗ trống mới ngay tại vị trí nó vừa rời khỏi. Các electron quang sinh trên vùng dẫn cũng có xu hướng quay trở lại và tái kết hợp với các lỗ trống trên vùng hóa trị, đồng thời giải phóng năng lượng dưới. Quá trình này làm giảm đáng kể hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu.
Theo Zhao Mo cùng cộng sự [30] vật liệu g-C3N4 khi được nung ở thời gian càng lâu thì cho hiệu quả quang xúc tác càng mạnh. Kết quả quang xúc tác khi xử lí với ánh sáng tử ngoại tốt hơn kết quả khi xử lí với ánh sáng khả kiến.
Hình 1.10. Kết quả xử lí quang xúc tác của vật liệu g-C3N4 (a) dưới tác dụng của ảnh sáng khả kiến và
(b) dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại [29]