Trong húa học, khỏi niệm xỳc tỏc quang dựng để núi đến những phản ứng xảy ra dưới tỏc dụng của chất xỳc tỏc mà hoạt động được nhờ tỏc dụng của ỏnh sỏng, hay núi cỏch khỏc, ỏnh sỏng chớnh là nhõn tố kớch hoạt chất xỳc tỏc, giỳp cho phản ứng xảy ra. Đối với chất xỳc tỏc là một chất bỏn dẫn, khi cú sự kớch thớch của ỏnh sỏng, trong chất bỏn dẫn sẽ tạo ra cặp điện tử - lỗ trống và cú sự trao đổi electron giữa cỏc chất bị hấp phụ trờn bề mặt, thụng qua cầu nối là chất bỏn dẫn. Xỳc tỏc quang là một trong những quỏ trỡnh oxi húa nhờ tỏc nhõn ỏnh sỏng. Trong khoảng hơn hai mươi năm trở lại đõy quỏ trỡnh xỳc tỏc quang ngày càng được ứng dụng rộng rói và đặc biệt quan trọng trong xử lớ mụi trường.
Th o lớ thuyết vựng, cấu trỳc điện tử của kim loại bao gồm một vựng với những obital phõn tử liờn kết được xếp đủ l ctron, được gọi là vựng húa trị (Valance band – VB) và một vựng gồm những obital phõn tử liờn kết cũn trống l ctron, được gọi là vựng dẫn (Condutance Band – CB). Hai vựng này được chia cỏch nhau bởi một hố năng lượng được gọi là vựng cấm. Đặc trưng bởi năng lượng vựng cấm Eg (Bandgap En rgy) chớnh là độ chờnh lệch giữa hai vựng núi trờn. Sự khỏc nhau giữa vật liệu dẫn điện, cỏch điện và bỏn dẫn chớnh là sự khỏc nhau về vị trớ và năng lượng vựng cấm. Vật liệu bỏn dẫn là vật liệu cú tớnh chất trung gian giữa vật liệu dẫn điện và cỏch điện, khi cú một kớch thớch đủ lớn (lớn hơn năng lượng vựng cấm Eg) cỏc l ctron trong vựng húa trị của vật liệu bỏn dẫn cú thể vượt qua vựng cấm nhảy lờn vựng dẫn, trở thành chất dẫn điện cú điều kiện. Núi chung, những chất cú Eg lớn hơn 3,5 V là chất cỏch điện ngược lại những chất cú Eg thấp hơn 3,5 V là chất bỏn dẫn.
Những chất bỏn dẫn cú Eg thấp hơn 3,5 V đều cú thể làm chất xỳc tỏc quang (photocatalysts) vỡ khi được kớch thớch bởi cỏc photon ỏnh sỏng cú năng lượng lớn
21
hơn năng lượng vựng cấm Eg, cỏc l ctron húa trị của chất bỏn dẫn sẽ nhảy lờn vựng dẫn. Kết quả là trờn vựng dẫn sẽ cú cỏc l ctron mang điện tớch õm, được gọi là electron quang sinh (photogenerated electron e-CB) và trờn vựng húa trị sẽ cú cỏc lỗ trống mang điện tớch dương, được gọi là lỗ trống quang sinh (photogenerated hole h+VB). Chớnh cỏc l ctron và lỗ trống quang sinh là nguyờn nhõn dẫn đến cỏc quỏ trỡnh húa học xảy ra bao gồm quỏ trỡnh oxi húa đối với h+VB và quỏ trỡnh khử đối với e-CB. Cỏc lỗ trống và l ctron quang sinh cú khả năng phản ứng cao hơn so với cỏc tỏc nhõn oxi húa – khử đó biết trong húa học.
Cơ chế của phản ứng xỳc tỏc quang cú thể được trỡnh bày như sau: C (chất bỏn dẫn) + hν → -CB + h+VB (1.12)
Cỏc lỗ trống và l ctron quang sinh được chuyển đến bề mặt và tương tỏc với một số chất bị hấp phụ như nước và oxy tạo ra những gốc tự do trờn bề mặt chất bỏn dẫn. Cơ chế phản ứng xảy ra như sau [77]:
VB h + H2O → HO● + H+ (1.13) CB e + O2 → hν O2 (1.14) 2 2 O + 2H2O → H2O2 +2HO + O2 (1.15) H2O2 + eCB → HO● + HO (1.16) VB h + HO → HO● (1.17)
Cỏc gốc tự do và sản phẩm trung gian tạo ra như HO●, O2, H2O2, O2
đúng vai trũ quan trọng trong cơ chế quang phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ khi tiếp xỳc.
Lỗ trống mang điện tớch dương tự do chuyển động trong vựng húa trị do cỏc l ctron khỏc cú thể nhảy vào lỗ trống để bóo hũa điện tớch, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trớ mà nú vừa đi ra khỏi. Cỏc l ctron quang sinh trờn vựng dẫn cũng cú xu hướng tỏi kết hợp với cỏc lỗ trống quang sinh trờn vựng húa trị, kốm th o việc giải phúng năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc ỏnh sỏng. Quỏ trỡnh này làm giảm đỏng kể hiệu quả xỳc tỏc quang của vật liệu. Gốc HO● là một
22
tỏc nhõn oxi húa rất mạnh, khụng chọn lọc và cú khả năng oxi húa nhanh chúng hầu hết cỏc chất hữu cơ.