Fotokatalizatorami

Fotokatalizatorami nazywamy materiały chemiczne, które po naświetleniu światłem generują nośniki ładunku (elektrony i dziury) zdolne do przeprowadzania reakcji redoks. Efekt fotokatalityczny umożliwia utlenianie i redukcję substratów na powierzchni katalizatora, często prowadząc do rozkładu zanieczyszczeń organicznych lub wody.

Najczęściej stosowanym materiałem jest dwutlenek tytanu (TiO2), występujący w formach anatazy i rutylu. Inne fotokatalizatory to ZnO oraz związki węglowe, takie jak grafitowy azotowy węgiel (g-C3N4), a także materiały dopowane i heterostruktury, które mogą aktywować światło widzialne.

Mechanizm polega na absorpcji fotonu i wytworzeniu elektronów i dziur na powierzchni katalizatora. Elektrony mogą redukować tlen cząsteczkowy do rodników supertlenkowych, natomiast dziury utleniają związki organiczne. Aby aktywność była praktyczna, rekombinacja ładunków musi być ograniczona; stosuje się dopanty, cocatalysty i heterojunctions, które poprawiają wydajność i stabilność.

Zastosowania obejmują oczyszczanie środowiska: degradację zanieczyszczeń organicznych w wodzie, usuwanie lotnych związków organicznych z powietrza oraz samoczyszczące i antybakteryjne powierzchnie. W dziedzinie energetyki fotokatalizacyjnej wykorzystuje się także do hydrolizy wody i produkcji wodoru, a także w procesach syntez chemicznych.

Wyzwania obejmują zależność od spektrum światła (wielkość pasma, intensywność), ograniczenia TiO2 w zakresie światła widzialnego, rekombinację ładunków, stabilność i koszty. Rozwój dopowanych materiałów, heterojunktur i nanostruktur ma podnieść efektywność w światle widzialnym.

Oceny aktywności prowadzi się poprzez monitorowanie tempa rozkładu zanieczyszczeń, zwykle przy użyciu barwników takich jak metylenowy niebieski i pomiar całkowitej mineralizacji (TOC).