فوتوکاتالیست چیست؟ (کاربرد های انواع فوتوکاتالیست)

فوتوکاتالیست‌ها از مهم‌ترین مواد در حوزه شیمی سبز، تصفیه محیط‌ زیست و فناوری‌های نوین انرژی به شمار می‌روند. این مواد به کمک نور می‌توانند سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش دهند و مسیرهایی را فعال کنند که در حالت عادی یا بسیار کند هستند یا اصلاً رخ نمی‌دهند. اهمیت فوتوکاتالیست‌ها فقط به آزمایشگاه محدود نیست؛ امروز از آن‌ها در تصفیه هوا و آب، ساخت سطوح خودتمیزشونده، حذف بوهای نامطبوع، ضدعفونی سطوح، و حتی تولید سوخت‌های پاک استفاده می‌شود.

در ساده‌ترین تعریف، فوتوکاتالیست ماده‌ای است که با جذب نور، وارد حالت برانگیخته می‌شود و می‌تواند در واکنش‌های اکسایش و کاهش شرکت کند. این فرایند را «فوتوکاتالیز» می‌نامند. بخش زیادی از فوتوکاتالیست‌های شناخته‌شده، از جنس نیمه‌هادی‌ها هستند؛ یعنی موادی که رسانایی الکتریکی آن‌ها بین فلزات و عایق‌ها قرار دارد و با دریافت انرژی کافی، قادر به ایجاد جفت الکترون-حفره می‌شوند.

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

فوتوکاتالیست چگونه کار می‌کند؟

برای درک بهتر عملکرد فوتوکاتالیست، باید ساختار انرژی نیمه‌هادی‌ها را بشناسیم. هر نیمه‌هادی دارای دو ناحیه مهم است:

• نوار ظرفیت
• نوار رسانش

این دو نوار با یک فاصله انرژی از هم جدا شده‌اند که به آن شکاف باند یا Band Gap می‌گویند. وقتی فوتونی با انرژی کافی به سطح فوتوکاتالیست برخورد می‌کند، الکترونی از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شود. در نتیجه:

• یک الکترون آزاد در نوار رسانش ایجاد می‌شود
• یک حفره مثبت در نوار ظرفیت باقی می‌ماند

این جفت الکترون-حفره، موتور اصلی واکنش‌های فوتوکاتالیستی است. الکترون‌ها می‌توانند باعث احیا شوند و حفره‌ها می‌توانند موجب اکسایش شوند. به همین دلیل، فوتوکاتالیست‌ها همزمان توانایی انجام هر دو فرایند را دارند و این ویژگی آن‌ها را بسیار ارزشمند می‌کند.

تفاوت فوتوکاتالیست همگن و ناهمگن

واکنش‌های فوتوکاتالیستی را می‌توان از نظر فاز مواد به دو گروه اصلی تقسیم کرد:

1) فوتوکاتالیز همگن

در این حالت، فوتوکاتالیست و واکنش‌دهنده در یک فاز قرار دارند؛ مثلاً هر دو در فاز مایع یا گاز هستند. این نوع سیستم‌ها معمولاً در تحقیقات پایه و برخی واکنش‌های خاص کاربرد دارند، اما جداسازی کاتالیست در پایان فرایند ممکن است دشوارتر باشد.

2) فوتوکاتالیز ناهمگن

در این نوع، فوتوکاتالیست و ماده واکنش‌دهنده در دو فاز متفاوت قرار دارند؛ برای مثال، کاتالیست جامد است و آلاینده در فاز گاز یا مایع وجود دارد. این نوع از فوتوکاتالیز در کاربردهای صنعتی، تصفیه آب، تصفیه هوا و پوشش‌های خودتمیزشونده بسیار مهم‌تر است، چون جداسازی آن آسان‌تر و پایداری آن بیشتر است.

فوتوکاتالیست‌ها بر چه اساسی دسته‌بندی می‌شوند؟

علاوه بر نوع فاز، فوتوکاتالیست‌ها را می‌توان بر اساس ساختار الکترونیکی نیز دسته‌بندی کرد. از دیدگاه شکاف باند:

• رساناها: شکاف باند بسیار کم یا تقریباً صفر دارند
• نیمه‌هادی‌ها: شکاف باند متوسط دارند و برای فوتوکاتالیز مناسب‌اند
• عایق‌ها: شکاف باند بسیار بزرگ دارند و معمولاً برای این کاربرد مناسب نیستند

از میان مواد مختلف، دی‌اکسید تیتانیوم مشهورترین و پرکاربردترین فوتوکاتالیست است. دلیل محبوبیت آن شامل موارد زیر است:

• پایداری شیمیایی بالا
• قیمت مناسب
• غیرسمی بودن
• مقاومت در برابر خوردگی
• عملکرد مناسب در واکنش‌های اکسایشی

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.

مکانیزم واکنش فوتوکاتالیستی

مکانیسم فوتوکاتالیز معمولاً چند مرحله دارد:

مرحله اول: جذب نور

فوتوکاتالیست، فوتون‌هایی با انرژی مناسب را جذب می‌کند.

مرحله دوم: ایجاد زوج الکترون-حفره

الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل می‌شود و یک حفره باقی می‌ماند.

مرحله سوم: مهاجرت بارها به سطح

الکترون و حفره باید به سطح ماده برسند تا واکنش انجام شود. اگر این دو قبل از رسیدن به سطح دوباره ترکیب شوند، انرژی به صورت گرما هدر می‌رود.

مرحله چهارم: تولید گونه‌های فعال

در سطح فوتوکاتالیست، الکترون‌ها و حفره‌ها با مولکول‌های اطراف واکنش می‌دهند و مواد بسیار واکنش‌پذیری را تولید می‌کنند که این مواد فعال، عامل اصلی تجزیه آلاینده‌ها، میکروب‌ها و ترکیبات آلی هستند.

مرحله پنجم: تجزیه نهایی آلاینده

در نهایت، آلاینده‌ها به ترکیبات ساده‌تر و کم‌خطرتر مانند:

• آب
• دی‌اکسید کربن
• نمک‌های معدنی

تبدیل می‌شوند.

کاربردهای فوتوکاتالیست

1) تصفیه هوا

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فوتوکاتالیست‌ها، حذف آلاینده‌های گازی از هواست. این آلاینده‌ها شامل:

• اکسیدهای نیتروژن
• ترکیبات آلی فرار
• دود سیگار
• بخارات شیمیایی
• بوهای نامطبوع

می‌شوند. پوشش‌های فوتوکاتالیستی در سیستم‌های تهویه، فیلترهای هوا، تونل‌ها، بیمارستان‌ها و ساختمان‌های شهری استفاده می‌شوند تا کیفیت هوا را بهبود دهند.

2) حذف بوهای نامطبوع

در فضاهایی مانند سرویس‌های بهداشتی عمومی، کارخانه‌ها، مراکز نگهداری زباله یا آشپزخانه‌های صنعتی، فوتوکاتالیست می‌تواند بوهای آزاردهنده ناشی از ترکیبات آلی را تجزیه کند. این روش برخلاف خوشبوکننده‌ها، بو را نمی‌پوشاند بلکه آن را از بین می‌برد.

3) خاصیت ضدباکتریایی و ضدویروسی

یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های فوتوکاتالیست‌ها، توانایی آن‌ها در نابود کردن میکروارگانیسم‌هاست. گونه‌های فعال تولیدشده توسط این مواد می‌توانند دیواره سلولی باکتری‌ها، غشای سلولی و حتی برخی ساختارهای زیستی حساس را تخریب کنند. به همین دلیل، از آن‌ها در:

• سطوح بیمارستانی
• ماسک‌ها
• فیلترهای ضدعفونی
• پوشش‌های آنتی‌باکتریال

استفاده می‌شود.

4) سطوح خودتمیزشونده

فوتوکاتالیست‌ها در ساخت شیشه‌ها، کاشی‌ها، سنگ‌های نما و مصالح ساختمانی کاربرد دارند. این سطوح با تابش نور، مواد آلی را تجزیه می‌کنند و با ایجاد خاصیت آب‌دوستی، باعث می‌شوند آب آلودگی‌ها را راحت‌تر از سطح جدا کند. در نتیجه:

• گرد و غبار کمتر می‌چسبد
• لکه‌ها سریع‌تر پاک می‌شوند
• نیاز به شست‌وشوی مکرر کاهش می‌یابد

5) تصفیه آب و فاضلاب

فوتوکاتالیست‌ها در حذف آلاینده‌های آلی پایدار، رنگ‌های صنعتی، داروها، آفت‌کش‌ها و برخی میکروب‌ها از آب بسیار مؤثرند. بسیاری از این مواد با روش‌های معمول به‌سختی حذف می‌شوند، اما در فرایند فوتوکاتالیستی می‌توان آن‌ها را به ترکیبات ساده و بی‌خطر تبدیل کرد.

این ویژگی برای تصفیه پساب صنعتی، آب‌های آلوده شهری و حتی بهبود کیفیت آب آشامیدنی اهمیت زیادی دارد.

6) صنایع ساختمانی

در مصالح ساختمانی جدید، فوتوکاتالیست‌ها برای تولید پوشش‌های مقاوم، ضدلک و ضدآلودگی به کار می‌روند. این پوشش‌ها می‌توانند نمای ساختمان را برای مدت طولانی تمیزتر نگه دارند و از تجمع آلودگی‌های شهری جلوگیری کنند.

7) کاربردهای انرژی

فوتوکاتالیز فقط برای پاکسازی محیط‌زیست نیست. یکی از حوزه‌های بسیار مهم آن، تولید هیدروژن از آب است. اگر بتوان نور خورشید را به‌طور مؤثر برای شکستن مولکول آب استفاده کرد، می‌توان هیدروژن تولید کرد؛ سوختی پاک که در آینده انرژی جایگاه مهمی خواهد داشت.

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.

مزایای فوتوکاتالیست‌ها

فوتوکاتالیست‌ها چند مزیت مهم دارند:

• استفاده از نور به‌عنوان منبع انرژی
• کاهش مصرف مواد شیمیایی
• قابلیت کار در دمای محیط
• تخریب آلاینده‌ها به‌جای انتقال آن‌ها
• امکان استفاده در پوشش‌ها و تجهیزات مختلف
• سازگاری بالا با رویکردهای محیط‌زیستی

به همین دلیل، بسیاری از پژوهش‌ها در سال‌های اخیر روی افزایش بازده و گسترش کاربردهای آن متمرکز شده‌اند.

محدودیت‌ها و چالش‌ها

با وجود مزایای زیاد، فوتوکاتالیست‌ها هنوز با چالش‌هایی روبه‌رو هستند:

1) بازترکیب سریع الکترون و حفره

اگر الکترون و حفره خیلی سریع دوباره به هم برسند، انرژی به هدر می‌رود و بازده کاهش می‌یابد.

2) وابستگی به نور فرابنفش

بسیاری از فوتوکاتالیست‌های رایج فقط در حضور UV فعال می‌شوند، در حالی که سهم UV در نور خورشید کم است.

3) پایداری و عمر مفید

در برخی مواد، فعالیت فوتوکاتالیستی با گذشت زمان کاهش می‌یابد یا سطح ماده دچار آلودگی می‌شود.

4) هزینه و مقیاس صنعتی

توسعه نانومواد پیشرفته و اعمال آن‌ها در مقیاس بزرگ، هنوز برای برخی کاربردها هزینه‌بر است.

راهکارهای بهبود عملکرد فوتوکاتالیست‌ها

پژوهشگران برای رفع این چالش‌ها روش‌های مختلفی را دنبال می‌کنند:

• دوپینگ با عناصر فلزی یا نافلزی
• ساخت ناهمگونی‌های نیمه‌هادی
• استفاده از نانوذرات
• ترکیب با گرافن یا مواد کربنی
• طراحی کاتالیست‌های فعال در نور مرئی
• افزایش سطح ویژه و بهبود ساختار سطحی

این روش‌ها کمک می‌کنند نور بیشتری جذب شود، جدایش بارها بهتر انجام گیرد و واکنش‌ها با سرعت بالاتری پیش بروند.