Khi được kích thích bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết (gọi là electron quang sinh, e-CB) chuyển lên vùng dẫn đồng thời tạo ra lỗ trống quang sinh (h+VB) mang điện tích dương ở vùng hóa trị. Các electron khác có thể nhảy vào vị trí này để bão hịa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà nó vừa đi khỏi.
Các lỗ trống quang sinh có khả năng oxy hoá với thế từ +1,0 đến +3,5 V; các electron quang sinh có khả năng khử với thế từ +0,5 đến -1,5 V; mạnh hơn rất nhiều so với các tác nhân oxy hoá khử đã biết trong hoá học. Các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển ra bề mặt hạt xúc tác và tác dụng trực tiếp hay gián tiếp với các chất hấp phụ trên bề mặt [26, 114].
Các lỗ trống quang sinh có khả năng oxy hóa nước, OH- thành •OH, cũng như một số gốc hữu cơ khác:
TiO2 (h+VB) + H2O •OH + H+ + TiO2 (1.25)
TiO2 (h+VB) + OH- •OH + TiO2 (1.26)
Các electron chuyển lên vùng dẫn có khả năng khử O2 thành O2•- và tiếp sau đó xảy ra phản ứng với H2O như sau:
TiO2 (e-CB) + O2 TiO2 + O2•- (1.27)
2O2•- + 2H2O H2O2 + 2OH- + O2 (1.28) TiO2 (e-CB) + H2O2 •OH + OH- + TiO2 (1.29)
Ion OH- lại có thể tác dụng với lỗ trống quang sinh trên vùng hoá trị để tạo ra gốc •OH theo phản ứng trên. Các tiểu phân •OH và O2- với vai trị là các phần tử hoạt động có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại.
1.3.1.3. Khả năng xúc tác quang của vật liệu TiO2
Vật liệu nano TiO2 hấp thụ năng lượng photon từ ánh sáng kích thích và hình thành các gốc, sản phẩm trung gian như •OH, O2•-, H2O2, O2. Sau đó, các gốc tự do sẽ oxy hoá các hợp chất hữu cơ đến sản phẩm cuối cùng là H2O, CO2,…
Quá trình tạo electron quang sinh và lỗ trống quang sinh trên xúc tác TiO2 được mơ tả trên Hình 1.3. Nước hấp phụ trên bề mặt của TiO2 bị oxi hoá bởi các lỗ trống tạo ra gốc hydroxyl và đồng thời, electron quang sinh sẽ khử O2 tạo ra O2•-.
Tiếp theo, gốc hydroxyl và gốc peoxit này phản ứng với các chất hữu cơ để tạo thành thành CO2, H2O, ... Chẳng hạn, các hợp chất hữu cơ chứa clo trước tiên sẽ bị oxy hóa mạnh thành các sản phẩm trung gian andehyt và axit cacboxylic, cuối cùng thành CO2, H2O và ion clorua. Nitơ trong hợp chất hữu cơ thường bị oxy hóa thành nitrat hoặc N2, lưu huỳnh được chuyển hóa thành SO42-, … [71, 89].