1.3.1.Sự tái kết hợp lỗ trống và electron quang sinh.
Quá trình tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh sẽ làm giảm khả năng sinh ra gốc OH, do đó, sẽ làm giảm hiệu quả của quá trình quang xúc tác trên TiO2. Xác suất của quá trình tái kết hợp này là rất lớn, khoảng 99,9%. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả của quá trình quang xúc tác, phải tìm cách hạn chế quá trình tái kết hợp này. Ngƣời ta đã áp dụng các biện pháp sau:
Sử dựng TiO2 dạng vi tinh thể (microcrystalline) hoặc dạng nano tinh thể (naroorystalline) vì đối với vật liệu bán dẫn dạng thù hình, các khuyết tật trong cấu trúc sẽ tạo cơ hội thuận lợi cho sự tái hợp (e-) và (h+
). Giảm kích thƣớc hạt TiO2 hoặc sử dụng dƣới dạng màng mỏng dƣới 0,1 m nhằm rút ngắn quãng đƣờng di chuyển của (h+) (vì thông thƣờng, quá trình tái kết hợp xảy ra trong quãng đƣờng di chuyển các h+ ra bề mặt; kích thƣớc hạt TiO2
hoặc màng TiO2 Phải ngắn hơn quãng đƣờng di chuyển; 0,1 m) [15,30]. Sử dụng TiO2 dạng anatase với tỷ lệ anatase/rutile thích hợp [27].
Cấy một số ion kim loại (doping) vào mạng tinh thể TiO2 có khả năng bẫy các electron quang sinh, ngăn không cho tái kết hợp với lỗ trống quang sinh. Một số ion kim loại thƣờng đƣợc nghiên cứu để cấy vào mạng tinh thể TiO2 là V5+, Mn3+, Ru3+, Fe3+, Cr3+, Ni3+ với nồng độ nhất định [17, 22, 23].
Gắn một số kim loại (nhƣ Pt, Au, Ag) lên trên nền TiO2 có tác dụng nhƣ hố chôn giữ electron. Các electron quang sinh sẽ tích tụ vào các đám kim loại,
27
hạn chế đƣợc quá trình tái kết hợp, làm tăng thời gian sống của các lỗ trống quang sinh để tạo ra gốc hydroxyl.
Tách xa các electron quang sinh và lỗ trống quang sinh bằng cách đặt vào một thế hiệu dịch (bias) dƣơng trên màng TiO2 nano, phủ trên kim loại làm một photo anot. Lỗ trống quang sinh (h+
) sẽ di chuyển ra bề mặt để tạo thành gốc hydroxyl trên photo anot, còn electron quang sinh nhờ hiệu thế dòng điện theo dây dẫn nối mạch ngoài với catot platin di chuyển theo chiều ngƣợc lại về catot và thực hiện quá trình khử ở đây, nhƣ vậy h+
và e- đã đƣợc tách riêng ra. Quá trình. này dƣợc gọi là quá trình xúc tác điện quang (photoelectrocatalysis).
Đƣa vào hệ những chất thu nhận không thuận nghịch các e-
(irreversible electron acceptor - IEA) nhằm ngăn chặn e- trở về các lỗ trống điện tích dƣơng trên vùng hóa trị, không cho tái hợp lại, kéo dài thời gian sống của các lỗ trống điện tích dƣơng. Các chất này thƣờng là O2, O2, H2O2 hoặc peoxydisunfat S2O8
2-
- đƣợc gọi là những chất đón bắt hay chất bắt giữ
electron (electron scavenger) [11]
Khi đƣa thêm các IEA vào hệ, chúng sẽ lấy electron trên vùng dẫn e-
nhƣ sau: 2 2 eO O 3 2 2 2e2O O 2O 2 2 eH O OHOH
Các gốc supeoxit O2đƣợc tạo ra lại có thể phản ứng tiếp với nƣớc tạo ra H2O2:
2
O
28
Nhƣ vậy các chất đón bắt electron không chỉ có tác dụng kéo dài thời gian sống của h+ mà còn có thể tạo thêm những gốc hydroxyl mới trên cơ sở các phản ứng với các e-
.
