V chemii je fotokatalýza zrychlení fotoreakce v přítomnosti katalyzátoru .
Princip fotokatalýzy je založen na aktivaci polovodiče světlem. Polovodič je považován za katalyzátor. Jeho princip je blízký heterogenní katalýze, kde oxidačně-redukční reakce probíhá na povrchu katalyzátoru.
Jedná se o absorpci fotonu , jehož energie je větší než mezera mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem , které vytvoří polovodičový pár elektron - díra . Vyskytuje se emise elektronu na úrovni vodivého pásma a tvorba díry na valenčním pásmu. Tento pár elektron-díra umožňuje tvorbu volných radikálů, které buď reagují se sloučeninami přítomnými v médiu, nebo rekombinují podle různých mechanismů. Každý polovodič má energetický rozdíl mezi svým vodivým pásmem a svým valenčním pásmem, které je pro něj specifické.
Jsou navrženy různé reakční mechanismy, ale ukázalo se, že k provedení fotokatalytické reakce je nezbytná přítomnost vody. Obecně je účelem této reakce oxidovat sloučeniny za účelem získání oxidu uhličitého a vody. Je také možné mít meziprodukty pro oxidaci výchozích produktů, pokud reakce není úplná. Aby se podpořila úplná reakce, provádějí se experimenty ke zpomalení rekombinace mezi párem elektron-díra.
Fotokatalytická oxidace závisí na synergii mezi několika parametry: životnost nosičů náboje, rychlost adsorpce / desorpce sloučenin na povrchu polovodiče.
Nejčastěji používanými fotokatalyzátory jsou polovodiče se širokým zakázaným pásmem nebo mezerou . Často se jedná o oxidy nebo sulfidy (TiO 2 , ZnO, CEO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , CdS, ZnS, atd ). Na elektrochemické potenciály polovodiče a redox-páry O 2/ H 2 Oa H 2 / H 2 Oukazuje, že je mezi nimi možná interakce. Ve skutečnosti jsou radikální druhy vytvořeny z O 2(oxidace) a H 2 O (snížení).
Kvůli svému výkonu a ceně je jako fotokatalyzátor často preferován oxid titaničitý (TiO 2 ). Existuje ve třech krystalických formách: brookit , anatas a rutil , ale fotokatalytické vlastnosti mají pouze anatasové a menší rutilové struktury. Ukázalo se, že směs anatasu a rutilu (v poměru 80/20 ) vykazuje lepší výsledky než jedna nebo druhá ze struktur samotných. Aby se zlepšil jeho výkon, experimenty ukazují, že v přítomnosti platiny je doba rekombinace páru elektron-díra zpomalena.
Jak již bylo dříve napsáno, fotokatalytická degradace se již používá k úplné mineralizaci mnoha organických sloučenin (v kapalné nebo plynné fázi), ale aktivní je především ultrafialový . Tato technika navrhuje široké pole aplikací.
Aktivace katalyzátoru je možná pouze u fotonů s vysokou energií, větší než je mezera v polovodiči, to znamená u vlnové délky odpovídající ultrafialovému záření pro oxid titaničitý. Fotokatalyzátor proto nevykazuje velkou aktivitu při slunečním záření (pro oxid titaničitý je užitečné sluneční záření pouze 4%). Výzkum je proto zaměřen na rozšíření délky spektrální odezvy katalyzátoru, například dopováním polovodiče přechodnými kovy , senzitizací povrchu nebo dokonce stohováním polovodičů.
Podle Ryoji Asahi et al. (2001), dopování TiO 2 s dusíkem by katalyzátor aktivní ozářením ve viditelném rozsahu. S.-K. Jung a kol. (2006), také našli výsledky potvrzující účinek dopingu. V oblasti fotokatalýzy se stále objevují vylepšení.
Další podmínkou je, aby materiál (barevný pigment, omítka, sklo, cement atd. ) Zůstal čistý.
Snažíme se vyrábět „samočisticí“ nebo snadno čistitelné materiály.