Fotokatalyyttistä

Fotokatalyyttinen toiminta viittaa aineen kykyyn nopeuttaa kemiallisia reaktioita valon vaikutuksesta ilman, että katalyytti itse kuluu lopulliseen tuotteeseen. Tämä ilmiö perustuu usein puolijohteisiin, joissa valon energia exciting elektronin valenssikannista johtokanttiin. Samalla aukko muodostuu valenssikannissa, ja sekä elektronit että aukot voivat osallistua pinnalla tapahtuviin redoxreaktioihin. Näin voidaan hajottaa epäpuhtauksia tai tuottaa hyödyllisiä yhdisteitä kuten vetyä.

Mekanismi on tyypillisesti seuraava: fotokatalyytti absorboi valoa, syntyy elektronihole-pareja, ja näitä reagoivat pinnalla hapetus- sekä pelkistysreaktioissa. Reaktiiviset happiradikaalit, kuten hydroksyyli- ja superoksidi-radikaalit, voivat hajottaa orgaanisia saasteita ja mikrobien solukkoa. Tehokkuuteen vaikuttavat valonlähde, materiaalin bandgap, pintakäyttäytyminen ja elektronien/aukkojen recombination, sekä ympäristön pH ja sivuaineet.

Materiaalit ja muotoilu ovat keskeisessä asemassa. Yleisimmät fotokatalyytit ovat titanioxide TiO2:n tunnetut muodot (anatase ja rutile), sekä ZnO ja graphitic carbon nitride (g-C3N4). Näitä kutsutaan usein fotokatalysaattoreiksi. Tehoa voidaan parantaa dopauksella (esim. N, C, S) tai rakentamalla rakennetta, kuten heterojunctioneja tai kombinaatioita cocatalystien kanssa (esim. pienmetallit), mikä laajentaa toiminnallista valon spektria ja vähentää recombinationia.

Sovellukset kattavat ympäristö- ja energianalat: veden ja jätevesien puhdistus, ilmanlaadun parantaminen sekä itsepestävät ja antibakteeriset pinnat. Lisäksi tutkitaan veden hajottamista vedeksi ja hidrogeniksi sekä orgaanisten haitta-aineiden mineralisoitumista. Tutkimus on historian saatossa kehittynyt 1972 Fujishima–Honda -löydöksestä lähtien, ja kiinnittää yhä suurempaa huomiota kestävyyteen ja kaupallistamiseen.

Haasteina ovat korkea recombination-energia, materiaalikustannukset, elinikä ja laajamittainen käytännön soveltaminen. Kehitys keskittyy laajennetun kuitulangin valon hyödyntämiseen, suurempiin reaaliaikaisen hajottamisen tehokkuuksiin sekä sovelluskohtaisiin, turvallisiin ratkaisuihin.