fotokatalysator

Een fotokatalysator is een stof die bij blootstelling aan licht chemische reacties kan versnellen zonder zelf verbruikt te worden. In de praktijk zijn het meestal halfgeleiders die onder lichtabsorptie elektronen en gaten genereren op hun oppervlak. De elektronen en gaten kunnen oxidatie- en reductiereacties aandrijven, waardoor organische verbindingen worden afgebroken en microben worden geïnactiveerd. De meest gebruikte fotokatalysator is titaniumdioxide (TiO2), hoewel ook andere halfgeleiders zoals ZnO, g-C3N4, BiVO4 en WO3 worden bestudeerd. De katalytische activiteit hangt af van factoren zoals kristallijne fase, oppervlakte en de efficiëntie waarmee elektronen en gaten van elkaar gescheiden worden (recombinatie). TiO2 komt vooral in de anatase-fase voor en wordt vaak als actief beschouwd; dopingen of heterostructuren kunnen de activiteit onder zichtbaar licht verbeteren.

Bij fotokatalyse wordt lichtabsorptie benut om elektronen van de valentieband naar de geleidende band te brengen, waardoor vrije elektronen en gaten ontstaan. Deze ladingdragers dragen bij aan redoxreacties: elektronen kunnen zuurstof reduceren tot superoxide, terwijl gaten water of organische moleculen kunnen oxideren tot radicalen zoals hydroxylradicalen (•OH). Doping met niet-klassieke elementen of het vormen van heterojunctions kan bandgap en de ladingseparatie verbeteren, waardoor activiteit bij zichtbaar licht toeneemt.

Veel gebruikte fotokatalysatoren zijn TiO2, ZnO, g-C3N4, BiVO4 en WO3. De kwaliteit en stabiliteit van de activiteit hangen af van kristalstructuur, oppervlakte en het type dopings, evenals de vorm en samenstelling van de nanostructuren.

Toepassingen variëren van milieubeheer (afbraak van organische verontreinigende stoffen in water en lucht en desinfectie) tot energietoepassingen zoals waterstofproductie door watersplitting en CO2-reductie naar brandstoffen. In de praktijk is schaalvergroting mogelijk maar vereist het stabiele, langdurige werking onder operationele condities en kostenbeheersing.