Fotokatalityczny

Fotokatalityczny odnosi się do procesów katalitycznych, które zachodzą po wystawieniu materiału na działanie światła. W takich układach światło aktywuje półprzewodnikowy katalizator, zwykle będący tlenkiem metalu, co powoduje generowanie nośników ładunku na jego powierzchni i inicjuje reakcje redoks. Dzięki temu na powierzchni katalizatora dochodzi do rozkładu związków organicznych, oczyszczania powietrza i wody, a także do syntez chemicznych pod wpływem światła.

Podstawowy mechanizm polega na wytworzeniu pary elektron-dziura (e−/h+). Po absorpcji fotonu o energii przekraczającej pasmo zabronione katalizatora elektrony przechodzą do stanu przewodnictwa, pozostawiając dziury w strefie valencyjnej. Nośniki te migrują do powierzchni, gdzie uczestniczą w utlenianiu (przykładowo reakcji z cząsteczkami organicznymi) i redukcji (np. redukcji tlenu do ROS). Redukcja rekombinacja elektron-dziura ogranicza wydajność procesu.

Najczęściej używanym materiałem fotokatalitycznym jest dwutlenek tytanu (TiO2), występujący w odmianach anatase i rutile. Inne katalizatory to ZnO, g-C3N4 (grafitowy azotek węgla), CdS oraz różne struktury dopasowane dopalaniem lub tworzeniem heterojunktów. Aby rozszerzyć działanie na światło widzialne, prowadzi się modyfikacje: dopowanie, łączenie materiałów, tworzenie heterojunktów i nanostruktur.

Zastosowania fotokatalityczności obejmują degradację zanieczyszczeń organicznych w wodzie i w powietrzu, projekty samoczyszczących powierzchni, dezynfekcję poprzez generowanie reaktywnych gatunków, a także potencjalne zastosowania w przemyśle chemicznym. Ograniczenia to ograniczona dostępność światła widzialnego dla wielu materiałów, rekombinacja nośników ładunku oraz koszty i stabilność długoterminowa. Historia fotokatalizy sięga prac Fujishimy i Honda z 1972 roku, którzy opisali fotokatalityczny rozkład wody na TiO2 pod światłem UV; od tego czasu rozwijano materiały aktywne w świetle widzialnym i zaawansowane konstrukcje katalizatorów.