Trong hệ xúc tác dị thể sự tác động của các photon lên các phân tử và những phản ứng quang hoá chủ yếu xảy ra trên bề mặt xúc tác. Chất mang điện tích linh động có thể được tạo ra bằng ba cơ chế khác nhau: kích thích nhiệt, kích thích quang và pha tạp. Khi chiếu một photon có năng lượng hν cao hơn năng lượng của vùng cấm thì một electron (e-
) bị đẩy ra khỏi vùng hoá trị tới vùng dẫn để lại một lỗ trống (h+). Trong các vật liệu dẫn (kim loại) các chất mang điện tích ngay lập tức tái kết hợp. Trong các chất bán dẫn một bộ phận các cặp electron - lỗ trống bị kích thích bằng ánh sáng này khuếch tán trên bề mặt của hạt xúc tác (các cặp electron- lỗ trống bị giữ lại trên bề mặt) và tham gia vào phản ứng hoá học với các phân tử nhận (A) hoặc các phân tử cho (D) bị hấp thụ. Các lỗ trống có thể ơxi hố các phân tử cho (phương trình 31), trong khi đó các electron vùng dẫn có thể khử các phân tử nhận electron thích hợp (phương trình 32) .
D + h+ → D + (31) A + e- → A - (32)
Một tính chất đặc trưng của các ôxit kim loại bán dẫn là các lỗ trống h+ có năng lượng ơxi hố mạnh. Chúng có thể ơxi hố nước để tạo ra gốc hydroxyl hoạt động mạnh ( OH). Các lỗ trống và các gốc hydroxyl là các chất
E h A ¯ Khử Ơxi hóa A D D + g E
ơxi hố rất mạnh, chúng có thể được dùng để ơxi hố hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ.
H2O + h+ → OH + H+ (33) Nhìn chung, ơxi khơng khí hoạt động như là một chất nhận electron bằng cách tạo thành ion O2-
O2 + e- → O2- (34) Ion này cũng có khả năng ơxi hố các chất hữu cơ.
1.2.1.3. Ứng dụng của TiO2 làm xúc tác quang hóa
TiO2 là một chất bán dẫn có khe năng lượng vùng cấm được xác định Eg = 3,2 eV. Nếu nó được bức xạ bằng photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV (bước sóng < 388 nm) thì vùng cấm bị vượt quá và một electron bị đẩy từ vùng hoá trị đến vùng dẫn, theo đó q trình chính là tạo thành chất mang điện tích (phương trình 35).
TiO2 + hν → h+ + e‾ (35) Nướ OH- hấp phụ trên bề mặt của TiO2 bị ơxi hố bởi các lỗ trống và sau đó tạo ra gốc hydroxyl, tiếp theo gốc hydroxyl này phản ứng với các chất hữu cơ. Cuối cùng các chất hữu cơ bị phân huỷ thành CO2 và H2O. Mặt khác electron khử ôxi để tạo ra O2-, sau đó ion này tạo ra peroxide là sản phẩm trung gian của phản ứng ơxi hố, hoặc tạo ra nước thông qua hydro peroxit.
OH - + h+ → OH (36) O2 + e- → O2- (37)