CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC [3], [4]

Trong hóa học, khái niệm xúc tác quang dùng để nói đến những phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh sáng, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc tác, giúp cho phản ứng xảy ra.

Đối với một chất bán dẫn, dưới tác dụng của ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị bị tách khỏi liên kết từ vùng hóa trị chuyển đến vùng dẫn tạo ra lỗ trống khuyết điện tử (mang điện tích dương) ở vùng hóa trị. Lấy TiO2 như một ví dụ.

2 h

CB VB

TiO  e h (1.1)

Các lỗ trống và electron được chuyển đến bề mặt và tương tác với một số chất bị hấp phụ như nước và oxy tạo ra những gốc tự do trên bề mặt chất bán dẫn. Cơ chế phản ứng xảy ra như sau:

hVB H O2 HOH (1.2) 2 2 h v C B e  O   O (1.3) 2 2 2 2 2 2 O 2H OH O 2HOO (1.4) 2 2 CB H O e HOHO (1.5) VB h HOHO (1.6)

Các gốc tự do và sản phẩm trung gian tạo ra như HO•, • 2

O, H2O2, O2 đóng vai trị quan trọng trong cơ chế quang phân hủy các hợp chất hữu cơ,

nấm khi tiếp xúc.

Lỗ trống mang điện tích dương tự do chuyển động trong vùng hóa trị do các electron khác có thể nhảy vào lỗ trống để bão hịa điện tích, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi ra khỏi. Các electron quang sinh trên vùng dẫn cũng có xu hướng tái kết hợp với các lỗ trống quang sinh trên vùng hóa trị, kèm theo việc giải phóng năng lượng dạng nhiệt hoặc ánh sáng. Quá trình này làm giảm đáng kể hiệu quả xúc tác quang của vật liệu bán dẫn. [15], [19]

Gốc HO• là một tác nhân oxi hóa rất mạnh, khơng chọn lọc và có khả năng oxi hóa nhanh chóng hầu hết các chất hữu cơ. Quá trình phân hủy một số hợp chất hữu cơ trên hệ xúc tác quang hóa như sau:

- Các phân tử bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo ra các gốc và sản phẩm trung gian như HO•, • -

2

O , H2O2, O2 (cơ chế đã trình bày ở phần trên). Các gốc và sản phẩm này oxi hóa các thành phần hữu cơ theo cơ chế sau: 2 RH HO RH O (1.7) 2 2 2 O

RH O CO axit vô cơ (1.8)

- Đối với hợp chất hữu cơ chứa nitơ dạng azo, phản ứng oxi hóa quang phân hủy xảy ra theo cơ chế sau:

R N N R 'HO  R N NR'OH (1.9) R N N R 'H R N  NR'H (1.10) R N N R 'H R N  NR'H (1.10) R N N  RN2 (1.11) RHOphân hủy (1.12)

Như vậy, sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ trên hệ xúc tác quang hóa là khí CO2, H2O và các chất vô cơ.