فوتوکاتالیست اغلب به عنوان یک کاتالیزور شتاب دهنده تعریف می شود. اصطلاح فوتوکاتالیست ترکیبی است از دو کلمه فوتو (Photo) مربوط به فوتون (واحد شدت نور وارده به شبکه چشم) و کاتالیست (Catalysis) که اشاره به ماده ای دارد که می تواند سرعت واکنش را در حضور خود تغییر دهد. بنابراین، فوتوکاتالیست ها موادی هستند که می توانند سرعت یک واکنش شیمیایی را در مواجهه با نور تغییر دهند. این پدیده که با نام فوتوکاتالیز شناخته می شود، واکنش هایی را شامل می شود که با استفاده از نور و یک نیم رسانا انجام می شود. در این واکنش، لایه زیرینی که نور را جذب می کند و به عنوان کاتالیزور واکنش های شیمیایی عمل می کند، در واقع فوتوکاتالیست می باشد. می توان گفت که همه فوتوکاتالیست ها نیم رسانا یا نیمه هادی هستند. نیمه هادی اشاره به ماده جامدی دارد که رسانایی بین عایق و بیشتر فلزات را تامین می کند. در نتیجه فوتوکاتالیز نیز پدیده ای است که در آن، بر اثر قرار گرفتن یک ماده نیمه رسانا در معرض نور، یک جفت الکترون ایجاد می شود.
محتوا
انواع فوتوکاتالیست
واکنش های فوتوکاتالیستی را بر اساس شکل ظاهری و همچنین وضعیت فیزیکی واکنش دهنده ها، می توان در دسته جداگانه دسته بندی کرد:
فتوکاتالیزور همگن:
در صورتی که نیمه هادی و واکنش دهنده هر دو در یک فاز مشابه گاز، جامد و یا مایع، باشند، واکنش فوتوکاتالیستی از فوتوکاتالیز همگن رخ خواهد داد.
فوتوکاتالیز ناهمگن:
در صورتی که نیمه هادی و واکنش دهنده در فازهای مختلف گاز، مایع یا جامد باشند، واکنش های فوتوکاتالیستی از نوع فوتوکاتالیز ناهمگن رقم می خورد.
در یک دسته بندی دیگر، بر اساس فاصله یا شکاف باند (اختلاف انرژی بین باند ظرفیت و نوار هدایت، شکاف باند نامیده می شود)، مواد به سه دسته اصلی طبقه بندی می شوند:
- فلز یا رسانا: به عنوان مثال <1.0 eV
- نیمه هادی یا نیمه رسانا: به عنوان مثال<1.5-3.0 eV
- عایق: به عنوان مثال > 5.0 eV
مکانیسم کاتالیزگر نوری
نیمه رساناها می توانند الکتریسیته را در دمای اتاق و در حضور نور نیز هدایت کرده و از این رو است که به عنوان کاتالیزگر نوری عمل می کنند. زمانی که یک فوتوکاتالیست در معرض نور با طول موج مورد نظر و انرژی کافی، قرار بگیرد، انرژی فوتون ها به وسیله یک الکترون باند ظرفیت، جذب شده و به نوار رسانایی تبدیل می شود. در طی این فرآیند، یک سوراخ یا حفره، در باند ظرفیت ایجاد می گردد و منجر به تشکیل حالت photo-excitation می شود. بر اثر این برانگیختگی، جفت الکترونe- وh+ تولید می شود. سپس می توان از این الکترون های برانگیخته شده، به منظور احیای گیرنده های اکسیداسیون مولکول های استفاده کرد. در نتیجه اهمیت کاتالیزگر نوری در این واقعیت نهفته است که یک کاتالیزگر نوری هم اکسیداسیون و همچنین یک محیط احیا به طور همزمان فراهم می کند. سرنوشت نهایی الکترون و حفره برانگیخته شده، به وسیله موقعیت نسبی نوارهای رسانا و ظرفیت نیمه رسانا و سطوح ردوکس بستر تعیین می گردد. بسته به این موارد، چهار روش وجود دارد که در آن ها نیمه رسانا و بستر با یکدیگر تعامل دارند:
- نخستین روش تعامل، احیا سطح زیرلایه است و زمانی به وجود می آید که سطح ردوکس زیرلایه، کمتر از نوار رساناییِ نیمه رسانا یا نیمه هادی باشد.
- روش تعامل دیگر، اکسیداسیون زیرلایه می باشد و هنگامی رقم می خورد که سطح ردوکس زیرلایه، بالاتر از باند ظرفیت نیمه هادی یا نیمه رسانا باشد.
- تعامل سوم، هنگامی که سطح ردوکس زیرلایه بالاتر از نوار رسانایی و کمتر از باند ظرفیت نیمه رسانا باشد، اکسیداسیون و احیا، هیچکدام امکان پذیر نیست.
- احیا و اکسیداسیون بستر به طور همزمان، زمانی اتفاق می‌افتد که سطح ردوکس زیرلایه کمتر از نوار رسانایی و بالاتر از نوار ظرفیت باشد.
کاربرد های فوتوکاتالیست
فوتوکاتالیست ها دارای مزایا و خواصی هستند که در ادامه به اصلی ترین آن ها اشاره می کنیم:
خواص ضد باکتریایی:
فوتوکاتالیست نه تنها می تواند سلول های باکتری را از بین ببرد، بلکه می تواند خود سلول را نیز تجزیه کند. به حدی که نتایج پژوهش ها نشان می دهد، فوتوکاتالیست دی اکسید، موثرتر از هر عامل ضد باکتری دیگری عمل خواهد کرد. زیرا واکنش های فوتوکاتالیستی می توانند حتی زمانی که سلول ها روی سطح را پوشانده اند، اجرا شوند. به طور کلی، آثار ضد باکتریایی فوتوکاتالیست طولانی مدت بوده و می تواند سه برابر قوی تر از کلر و 1.5 برابر قوی تر از ازن باشد.
فوتوکاتالیست به عنوان خوشبو کننده:
در عملکرد فوتوکاتالیست به عنوان خوشبو کننده، رادیکال های هیدروکسیل می توانند با از بین بردن پیوندهای مولکولی، به تجزیه هر گونه ترکیب آلی فرار یا VOC سرعت ببخشند. این امرف می تواند به ترکیب گازهای آلی برای تشکیل یک مولکول منفرد کمک کرده و از همه مهم تر، مانند نمونه های شیمیاییف برای انسان مضر نیست و تنها فرآیند تمیز کردن هوا را سرعت بخشیده و تقویت می کند. بنابراین یک دستگاه تصفیه هوا با Ti02، می تواند از ورود دود، گرد و خاک، باکتری ها و ویروس ها و گازهای مضر نیز جلوگیری کرده و به کمک اثر اکسید کننده بسیار فتوکاتالیست به فیلتر کردن 99.9 درصد از مواد فوق پرداخته و باکتری های آزاد موجود در هوا را جذب کند.
فوتوکاتالیست برای تصفیه هوا:
اکسیدهای تیتانیوم در واکنش فتوکاتالیستی را می توان به منظور کاهش یا حذف ترکیبات آلوده در هوا مانند NOx، دود سیگار و همچنین ترکیبات فرار ناشی از مصالح ساختمانی مختلف استفاده کرد. واکنش پذیری فتوکاتالیستی بالا نیز، می تواند برای محافظت از لامپ ها و دیوارها در تونل زنی و همچنین به منظور جلوگیری از دوده شدن و سیاه شدن چادرهای سفید، به کار گرفته شود.
خاصیت خود تمیز کنندگی:
بسیاری از دیوارهای خارجی ساختمان ها، به دلیل قرار گفتن در معرض دود ماشین ها، که حاوی اجزای روغنی نیز هستند، آلوده و تیره می شوند. اما در صورتی که لایه های خارجی مصالح ساختمانی با یک لایه محافظ تیتانیوم فتوکاتالیست پوشانده شوند، می توانند با تبدیل شدن به آنتی استاتیک، خاصیت خود تمیز شونده را در سطح دیوراه ها ایجاد کند. در این شرایط، هیدروکربن حاصل از دود ماشین ها، اکسید شده و همچنین گرد و خاک موجود بر روی دیوارها از طریق بارندگی از بین می رود و نمای بیرونی ساختمان را همیشه تمیز نگه می دارد.
فوتوکاتالیست در تصفیه کننده آب:
فوتوکاتالیست به همراه لامپ های UV، این قابلیت را دارد که آلاینده های آلی را به مواد غیر سمی مانند CO 2 و آب تبدیل کرده و حتی باکتری های خاص را نیز ضد عفونی کند. این مسئله می تواند در حذف بسیاری از ترکیبات آلی خطرناک و همچنین از بین بردن انواع باکتری ها و برخی از ویروس ها در هنگام تصفیه ثانویه فاضلاب بسیار مفید و موثر واقع شود. به نحوی که بسیاری از پروژه های آزمایشی نشان داده اند که فرآیندهای سم زدایی فوتوکاتالیستی می توانند حتی باکتری های مدفوعی را در هنگام تصفیه فاضلاب ثانویه به شکل موثری حذف کنند.
