Fotokatalysatoren

Fotokatalysatoren zijn materialen die onder invloed van licht chemische reacties mogelijk maken of versnellen, zonder dat de katalysator zelf verbruikt raakt. In de praktijk gaat het meestal om halfgeleiders die bij blootstelling aan fotonen elektronen van de valentieband naar de geleidingsband brengen, waardoor positieve gaten en vrije elektronen ontstaan die kunnen reageren met water, zuurstof en adsorbeerde organische verbindingen.

Het mechanisme berust op de vorming van reactive zuurstofsoorten: het licht genererende elektronen en gaten leiden tot hydroxylradicalen en superoxide. Deze radicalen breken organische verontreinigingen af tot eenvoudiger verbindingen zoals CO2 en H2O. De fotokatalyse gebeurt vaak in een vaste katalysator die in contact staat met een vloeistof of gas (heterogene fotokatalyse), maar kan ook in suspensie plaatsvinden.

De meest gebruikte fotokatalysator is titaniumdioxide (TiO2) in anatase- of rutielfase. TiO2 absorbeert voornamelijk ultraviolet licht, waardoor onderzoekers systemen ontwikkelen die ook zichtbaar licht kunnen benutten. Andere materialen zijn ZnO, g-C3N4 en diverse gedopeerde of samengestelde fotokatalysatoren, vaak ontworpen als heterostructuren om efficiëntie en bandgap-tegenhanger te verbeteren.

Toepassingen omvatten de afbraak van verontreinigende organische stoffen in water en lucht, zelfreinigende en antimicrobiële oppervlakken, en potentieel voor waterstofproductie via water splitting. Uitdagingen zijn onder meer snelle recombinatie van elektronen en gaten, beperkte activiteit onder zichtbare licht, stabiliteit en kosten, wat onderwerp blijft van voortgaand onderzoek.

Historisch markant is de publicatie van Fujishima en Honda uit 1972 over water splitting op TiO2 onder UV-licht, een mijlpaal voor fotokatalyse. Hedendaagse inspanningen richten zich op het vergroten van lichtabsorptie, efficiëntie en duurzaamheid door dopingen, heterostructuren en co-katalysatoren.