4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
1.4. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu ZnO
Khi chiếu vào chất bán dẫn bức xạ có năng lượng lớn hơn hoặc bằng bề rộng vùng cấm, photon bị hấp thụ, điện tích bị dịch chuyển và sinh ra cặp điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị. Một số điện tử - lỗ trống di chuyển ra bề mặt chất xúc tác và tham gia phản ứng oxy hóa khử với các chất hấp phụ trên bề mặt đã có sẵn trong môi trường. Do đó, ngoài bề rộng vùng cấm, vị trí đỉnh vùng hóa trị và đáy vùng dẫn là những yếu tố quyết định đến tính chất xúc tác quang của các chất bán dẫn.
Để quang xúc tác diễn ra thì mức năng lượng của đáy vùng dẫn phải âm hơn thế oxy hóa của chất nhận electron và mức năng lượng của đỉnh vùng hóa
trị phải dương hơn thế khử của chất cho electron. Vì vậy, trong các vật liệu quang xúc tác, ZnO là lựa chọn tối ưu [31].
Các quá trình chủ yếu xảy ra trong xúc tác quang sử dụng chất xúc tác ZnO được mô tả như sau.
+ Quá trình I: Khi ZnO được chiếu bởi ánh sáng kích thích có năng lượng lớn hơn hoặc bằng bề rộng vùng cấm (3,2 eV), vật liệu này sẽ thấp thụ các photon của ánh sáng tới. Mỗi một photon bị hấp thụ kích thích một điện tử (electron) từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), đồng thời tạo ra một lỗ trống (hole) mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các hạt mang điện này có thể di chuyển đến bề mặt vật liệu, tham gia vào các phản ứng oxy hóa – khử với các chất hấp phụ trên bề mặt đó.
+ Quá trình II: Các điện tử mang điện tích âm sẽ khử O2 để tạo ra các superoxide O2– , các superoxide O2– sẽ tham gia phản ứng với các hợp chất hữu cơ tạo thành sản phẩm là CO2 và H2O.
+ Quá trình III: Một số hợp chất hữu cơ có khả năng hấp thụ trực tiếp các điện tử trên vùng dẫn và bị phân hủy thành CO2 và H2O .Quá trình này được gọi là quá trình khử trực tiếp.
+ Quá trình IV: Các lỗ trống mang điện tích dương có thể oxy hóa nhóm OH– hoặc H2O để tạo ra các gốc OH* tự do, gốc OH* sẽ tham gia phản ứng với các hợp chất hữu cơ tạo thành sản phẩm là CO2 và H2O.
+ Quá trình V: Một số hợp chất hữu cơ có khả năng kết hợp trực tiếp các lỗ trống ở vùng hóa trị và bị phân hủy thành CO2 và H2O .Quá trình này được gọi là quá trình khử trực tiếp.
Trong năm quá trình diễn ra ở cơ chế quang xúc tác chất bán dẫn, thì ở quá trình II và quá trình IV, Gốc OH* tự do và các superoxide O2– là các tác nhân ôxy hóa mạnh thường được sử dụng để làm sạch môi trường. Chúng phân hủy mạnh hầu hết các chất bẩn hữu cơ trong môi trường thành sản phẩm
thân thiện với môi trường là CO2 và H2O. Bên cạnh đó, các lỗ trống ở vùng hóa trị và điện tử ở vùng dẫn còn có khả năng oxi hóa trực tiếp các phân tử hữu cơ. Trong số các phản ứng nêu trên, phản ứng oxy hóa gây ra bởi các nhóm OH* được xem là phản ứng chính trong sự phân hủy của nhiều hợp chất hữu cơ [31, 32]. Toàn bộ 5 quá trình xúc tác quang được thể hiện bằng hình vẽ dưới.
Hình1.11 Các quá trình xảy ra trên bề mặt vật liệu ZnO dưới tác dụng của ánh sáng xúc tác.
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM