_photocatalyst_producing_hydrogen.jpg)
Wat in diechemie metfotokatalise bedoel word, is die versnelling van 'n reaksie wat onder beligting plaasvind deur die teenwoordigheid van 'n fotokatalisator. Dit is 'n stof wat se aangeslane toestand herhaaldelik in wisselwerking met die reaksievennote tree en tussenprodukte vorm, maar wat na elke siklus van sulke interaksies homself regenereer.[1]
In baie gevalle is die katalisator 'n vaste stof wat by bestraling met UV- of sigbare lig elektron-gatpare genereer wat vryeradikale doen ontstaan. Fotokatalisators kan in drie hoofgroepe ingedeel word:
Die gebruik van elke katalisator hang af van die voorkeuraanwending en vereiste katalitiese reaksie.
Die vroegste vermelding was in 1911, toe die Duitse chemikus Dr. Alexander Eibner die konsep voorgestel het in sy navorsing van die bleiking van die donkerblou pigment, Pruisiese blou deur inwerking van lig opsinkoksied (ZnO).[2][3]
Rondom hierdie tyd het Bruner en Kozak 'n artikel gepubliseer wat die agteruitgang van oksaalsuur in die teenwoordigheid vanuraniel-soute onder beligting bespreek.[3][4] In 1913 het Landau 'n artikel gepubliseer waarin hy 'n uitleg van fotokatalise voorgestel het. Hieruit is die aktinometrie ontstaan. Dit is meting van die fotonfluks ter vergelyking van die mate van fotoreaksie wat plaasvind.[3][5]
In 1938 het Doodeve en Kitchener ontdek dattitaandioksied (TiO2), 'n hoogs stabiele en nie-giftige oksied, in die teenwoordigheid van suurstof as 'n fotosensibilisator vir die bleiking van kleurstowwe kan optree.Ultravioletlig wat geabsorbeer word deurTiO2 lei tot die vorming van aktiewe suurstofspesies op sy oppervlak. Hierdie spesies veroorsaak die kleustowwe sefotooksidasie. Dit was die eerste waarneming van die fundamentele kenmerke van heterogene fotokatalise.[3][6]
In heterogene katalise is diekatalisator in 'n ander fase as die reaktante. Heterogene fotokatalise is 'n dissipline wat 'n groot verskeidenheid reaksies insluit: gedeeltelike of totaleoksidasies,dehidrogenering, waterstofoordrag, isotopiese uitruiling van18O2–16O2 of deuteriumalkane, metaalafsetting, waterontgifting en verwydering van gasvormige besoedeling.
Die meeste heterogene fotokatalisators is oorgangsmetaaloksiede enhalfgeleiers. Anders as metale, wat 'n kontinuum van elektroniese toestande het, besit halfgeleiers 'n energieleemte, 'n gebied waar geen energievlakke beskikbaar wat rekombinasie van 'nelektron engat kan bevorder wat deur fotoaktivering in die vaste stof geproduseer word. Hierdie verskil in energie tussen die gevulde valensband en die leë geleidingsband]] in die energiediagram van 'n halfgeleier is diebandgaping.[7]
Wanneer die halfgeleier 'nfoton absorbeer met energie gelyk aan of groter as die materiaal se bandgaping, word 'n elektron e- opgewek vanaf die valensband na die geleidingsband, wat 'n gat h+ in die valensband geskep . Hierdie elektrongatpaar is 'neksiton.[7] Die opgewekte elektron en gat kan herkombineer. Die energie wat verkry word uit die absorpsie van die foton word dan as hitte vrystel. Sulke eksitonrekombinasie is ongewens.[8]Navorsing om funksionele fotokatalisators te ontwikkel beklemtoon dikwels die verlenging van die eksiton se lewensduur, deur verbeterde skeiding van die elektrongatpaar. Daar word gebruik gemaak van diverse benaderings wat kan staatmaak op strukturele kenmerke soos heteroaansluitings van twee verskillende fases (bv. koppelvlakke vananataas enrutiel ),nanopartikels van edelmetale,silikon- nanodraadjies en substitusionele katioondotering.[9]
Die uiteindelike doel van fotokatalisatorontwerp is óf om reaksies van die opgewekte elektrone met oksidante te fasiliteer en so gereduseerde produkte te produseer, óf om reaksies van die gegenereerde gate met reduktante om geoksideerde produkte te produseer. As gevolg van die bestraling met lig sal in 'n halfgeleier altyd dieminderheidsladingdraer na die oppervlak beweeg. In p-tipe halgeleiers is dit die elektrone, in n-tipe juis die gate. Dit is die gevolg van bandbuiging wat optree as 'n halfgeleier in kontak met 'n elektroliet kom. Dié buiging is opwaarts vir n-tipe en afwaarts vir p-tipe halfgeleiers.[10]
In een meganisme van die oksidatiewe reaksie reageer gate met die vog wat op die oppervlak teenwoordig is en produseer 'n hidroksielradikaalOH•. Die reaksie begin deur foto-geïnduseerde eksitongenerering in die metaaloksied (MO) oppervlak deur absorpsie van 'n foton (hv):
In 'n n-tipe halfgeleier kom die gate h+ na die oppervlak en reageer met 'n geadsorbeerde watermolekule. Dit kan lei tot die vorming vanwaterstofperoksiedH2O2:
In 'n p-tipe halfgeleier kom juis die elektrone na die oppervlak waar hulle suurstof kan reduseer:
In homogene fotokatalise bestaan die reaktante en die fotokatalisators in dieselfde fase. Die atmosfeer se selfreinigingsproses maarmee dit organiese verbindings verwyder is 'n homogene fotokatalisereaksie in die gasfase.[11]
Daar word dikwels na hierdieosoon-proses verwys wanneer fotokatalisators ontwikkel word:
Die meeste homogene fotokatalitiese reaksies verloop in 'n waterige fase, met 'n oorgangsmetaalkompleks as fotokatalisator. Die wye gebruik van oorgangsmetaalkomplekse as fotokatalisators is grootliks te danke aan die groot gaping tussen HOMO (hoogste besette molekulêre orbitaal) en LUMO (laagste onbesette molekulêre orbitaal) en die hoë stabiliteit van hierdie spesies.[12]
Homogene fotokatalisators is algemeen in die produksie van skoonwaterstof as brandstof, met die noemenswaardige volop gebruik van komplekse vankobalt enyster.[12]
'n Plasmoniese antennafotokatalisator is 'n fotokatalisator wat 'nkatalisator kombineer met aangehegte antenna wat die katalisator se vermoë om lig te absorbeer verhoog en sodoende die doeltreffendheid daarvan verhoog. Di berus op die enorme vermoë om lig te amsorbeer van nanodeeltjes van bv. goud vanweë hulle plasmaresonansie.
'nSiO2 katalisator gekombineer met 'n Au-ligabsorbeerder het waterstofsulfied-tot-waterstofreaksies versnel. Die proses is 'n alternatief vir die konvensionele Claus-proses wat by 800-1000°C werk.[13]
{{cite journal}}: AS1-onderhoud: gebruik authors-parameter (link)