TiO2fotokatalysen

TiO2-fotokatalyse is een fotokatalytisch proces waarbij titaniumdioxide (TiO2) optreedt als halfgeleider die onder lichtstraling elektronen en gaten genereert, waardoor redoxreacties op het oppervlak mogelijk worden. TiO2 is stabiel, niet giftig en relatief goedkoop, en komt voor in verschillende kristalvormen, met anatase en rutile als belangrijkste.

Mechanisme: Bij bestraling met licht met energie gelijk aan of groter dan het bandgap ontstaan elektronen in de geleidbaarheidsband en gaten in de valentieband. Deze charge carriers kunnen recombineren, maar kunnen ook redoxreacties aanwakkeren op het oppervlak: oxidatie van water of hydroxide tot hydroxylradicalen en reductie van adsorbeerde verbindingen. Verontreinigingen die op het oppervlak zijn geadsorbeerd, leiden tot afbraak via radicalen en directe oxidatie.

Materiaal en prestatie: Anatase vertoont vaak hogere activiteit dan rutile; mengsels zoals P25 (anatase-rutile mengsel) worden veel gebruikt. De fotokatalytische efficiëntie kan worden verhoogd door dopingen, sensitisatie met organische kleuren, of vorming van heterojuncties met andere halfgeleiders. Nanostructuren en ondersteuningsmaterialen verbeteren oppervlakte-activiteit en stabiliteit.

Toepassingen: Milieuregulering waaronder afbraak van organische verontreinigingen in water en lucht, en zelfreinigende oppervlakken. Ook onderzoek naar waterstofproductie en CO2-reductie onder zonnestimulatie, vaak in combinatie met co-katalysatoren zoals platina of nikkel; zichtbaar lichtactiviteit kan worden verbeterd door dopingen of sensitisatie.

Beperkingen en ontwikkelingen: Een belangrijke beperking is de beperkte activiteit bij zichtbaar licht en de snelle recombinatie van elektronen en gaten. Oplossingen omvatten doping, heterojuncties, nanostructuurontwerp, plasmonische sensitisatie en het gebruik van ondersteuningsmaterialen.