1.2. Vật liệu xử lý trên cơ sở TiO2
1.2.8. Quá trình xúc tác quang điện hoá trên vật liệu N-TiO2
Hiện nay, theo nhiều tài liệu nghiên cứu, một sự quan tâm lớn đến các quá trình oxi hố tăng cường điện hoá đã và đang nổi lên nhằm mục đích khắc phục
nhược điểm thứ hai của vật liệu bán dẫn TiO2 (đã nêu ở phần trước) để ứng dụng
trong lĩnh vực xúc tác quang. Sự kết hợp các cơng nghệ điện hố và quang xúc tác (được gọi là xúc tác quang điện) đem đến cơ hội có thể tách electron - lỗ trống
quang sinh (e-/h+) và ngăn cản sự tái kết hợp của chúng. Quá trình xúc tác quang
điện cho phép không chỉ tăng hiệu quả và giảm giá thành mà còn tăng tốc độ phân
huỷ các chất ô nhiễm. Sự oxi hoá xúc tác quang điện (Photoelectrocatalytic
Oxidation - PEO) trong đó một điện thế dương rất nhỏ được áp lên xúc tác quang đã
được chứng minh là có hiệu quả hơn q trình xúc tác quang đơn thuần và là một
cách sử dụng tốt hơn các lỗ trống quang sinh. Thực ra, sự oxi hoá xúc tác quang
điện hoá sử dụng các chất bán dẫn như là xúc tác quang đã được thế giới áp dụng
rộng rãi hơn mười năm trước cho việc loại bỏ các hợp chất hữu cơ ô nhiễm. Công nghệ xúc tác quang điện này đã nhận được sự chú ý cao trong lĩnh vực mơi trường bời vì tính khả thi của nó để phân huỷ các hợp chất hữu cơ không mong muốn,
trong pha nước và để loại bỏ các lượng vết của các dạng hữu cơ bền và khó bị oxi hố bằng các phương pháp xử lý nước thơng thường.
Hình 1.8 Cơ chế q trình xúc tác quang điện hố sử dụng bán dẫn TiO2 và các phản ứng chính xảy ra ở bề mặt [33]
Hình 1.8 chỉ ra cơ chế chung của quá trình xúc tác quang điện, các phản ứng chính xảy ra tại bề mặt vật liệu TiO2. Theo các tài liệu nghiên cứu [23, 31], điện thế
được áp đặt là một nhân tố chìa khố để cải tiến hiệu quả xúc tác quang điện hoá.
Khi một điện thế cố định được áp đặt lên điện cực quang anot TiO2, nhờ đó các
electron quang sinh có thể được chuyển qua mạch ngoài đến catot. Tốc độ tái kết
hợp giữa các electron và lỗ trống quang sinh bị kìm hãm, khả năng tồn tại của các tác nhân sẽ tăng lên thúc đẩy sự oxi hoá hiệu quả ở trên bề mặt điện cực TiO2.
Trong quá trình xúc tác quang điện hoá, tốc độ chuyển hố khơng phụ thuộc trực
tiếp vào thế áp đặt nhưng phụ thuộc vào một số yếu tố: (i) tính chất đặc trưng của
các bán dẫn, (ii) nguồn ánh sáng chiếu, (iii) sự hấp phụ và nhả hấp phụ của các chất tham gia và các sản phẩm phản ứng, (iv) cường độ điện trường trong khu vực khơng gian tích điện
* Xu hướng phát triển của các quá trình xúc tác quang điện hố: Q trình
xúc tác quang điện hoá được cho là một sự thay thế tốt cho các quá trình xúc tác
quang truyền thống để cải thiện tỉ lệ phân huỷ của các chất hữu cơ ơ nhiễm bền, khó phân huỷ. Việc đưa kĩ thuật điện hoá vào phản ứng xúc tác quang làm tăng hiệu quả của các quá trình và cũng mở rộng năng lực phân huỷ đối với các chất ô nhiễm
cứng đầu. Nhờ các kết quả thành cơng trong quy mơ phịng thí nghiệm, giá trị của các q trình xúc tác đó đã được nghiên cứu sâu hơn, về các chi tiết liên quan đến
thiết kế các mơ hình mẫu để xử lý các dòng nước khác nhau (nước thải từ công
nghiệp, từ khu dân cư đô thị, nước thải chăn nuôi). Để đẩy mạnh khả năng thực thi
của cơng nghệ xúc tác quang điện hố với quy mô lớn hơn, một số thông số công
nghệ then chốt cần phải được chú ý:
(1) Cần khai thác tốt hơn sự chiếu xạ từ mặt trời để sử dụng nguồn năng lượng sáng dồi dào;
(2) Tổng hợp nhiều loại vật liệu xúc tác quang TiO2 có hoạt tính quang xúc tác cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy
hố. Cũng nên chú ý rằng tổng chi phí của quá trình xúc tác quang điện hoá bao
gồm năng lượng, điện cực, đèn chiếu đều tương đối cao, nên việc làm giảm các chi phí này xuống cũng sẽ là một thách thức lớn cho các nhà khoa học.