valokatalyyttejä

Valokatalyyttejä ovat aineita, jotka katalysoivat kemiallisia reaktioita valon vaikutuksesta siten, ettei niitä käytön aikana kuluteta. Puolijohteina toimivat valokatalyytit absorboivat fotoneja ja muodostavat elektronin ja aukon (e− ja h+), jotka erottuvat ja siirtyvät pinnalle. Näiden varattujen hiukkasten avulla ympäristöä voidaan hajottaa tai muuttaa sekä tuottaa energiaa auringon valolla.

Toimintaperiaate: Kun valo ylittää band-gapin, syntyy elektronihole-pareja. Eri reaktioihin osallistuvat aukot hapettavat esimerkiksi vesimolekyylejä tai orgaanisia yhdisteitä, ja elektronit pelkistävät hapen tai muita yhdisteitä. Näiden redox-reaktioiden kokonaisuus hajottaa haitta-aineita ja voi mahdollistaa veden jakamisen tai CO2:n pelkistämisen.

Yleisiä valokatalyyttejä ovat TiO2:sta valmistetut materiaalit sekä muut kuten ZnO, g-C3N4, BiVO4 ja SrTiO3. TiO2 on kestävä ja edullinen, mutta suurin osa sen toiminnasta tapahtuu UV-säteilyllä; näkyvän valon hyödyntäminen parannetaan dopauksella (esim. N-, C-, S-dopings), seoksilla ja heterojunction- tai Z-scheme -rakenteilla. Ko-katalyytit ja nanostruktuurit voivat myös lisätä tehollisuutta.

Sovellukset ulottuvat ympäristön puhdistukseen (haitta-aineiden, hajujen ja mikrobien hajottaminen) sekä energian tuottoon (veden elektrolyysi vedyn tuottamiseksi ja CO2:n pelkistäminen) auringon valossa. Haasteina ovat recombination, fotokorroosio, kustannukset sekä laajamittainen skaalautuvuus ja elinkaarikestävyys.