Fotokataliza

Fotokataliza – zmiana szybkości reakcji chemicznej lub jej inicjacji w wyniku działania promieniowania UV, promieniowania widzialnego lub podczerwieni, w obecności substancji (fotokatalizatora), która absorbuje światło i jest zaangażowana w przemiany chemiczne reagentów. W procesie wykorzystywane są najczęściej tlenki metali z grupy półprzewodników typu, takie jak tlenek cynku (ZnO), tlenek wolframu(VI) (WO₃), tlenek tytanu(IV) (TiO₂), tytanian strontu(inne języki) (SrTiO₃), wanadan bizmutu(inne języki) (BiVO₄), jak również siarczki (CdS, ZnS), a także związki węgla, np. grafitowy azotek węgla (g-C₃N₄) lub związki metaloorganiczne.

Podział ze względu na fazę

Można wyróżnić dwa rodzaje fotokatalizy:

homogeniczną – kiedy fotokatalizator znajduje się w tej samej fazie termodynamicznej co substraty (np. jest razem z substratami rozpuszczony w układzie)
heterogeniczną – kiedy katalizator znajduje się w innej fazie termodynamicznej niż jeden lub wszystkie substraty (np. fotokatalizator jest osadzony na powierzchni ciała stałego)

Aby zaszła reakcja fotokatalityczna, konieczne jest wzbudzenie półprzewodnika, które następuje w wyniku absorpcji kwantu promieniowania hν o energii równej lub wyższej niż szerokość jego przerwy energetycznej (E_g). Warunkiem zainicjowania procesu fotokatalitycznego jest zatem spełnienie warunku hν ≥ E_g. Na skutek wzbudzenia następuje przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego (E_VB) do pasma przewodnictwa (E_CB), generując odpowiednio wzbudzony elektron (e^–) oraz nieobsadzony poziom energetyczny, zwany dziurą elektronową (h⁺). Powstałe nośniki ładunków w wyniku oddziaływań kulombowskich mogą migrować na powierzchnię fotokatalizatora i brać udział w reakcjach redoks z cząsteczkami wody, anionami hydroksylowymi, tlenem cząsteczkowym oraz związkami nieorganicznymi i organicznymi. Na skutek tych reakcji generowane są reaktywne formy tlenu, m.in. rodniki hydroksylowe(inne języki) (^•OH), anionorodniki ponadtlenkowe (O₂^•−) oraz tlen singletowy (¹O₂), odpowiedzialne (obok elektronów i dziur) za przebieg reakcji fotokatalitycznej.

Zastosowanie

Otrzymywanie wodoru poprzez fotokatalityczny rozkład wody z wykorzystaniem wydajnego fotokatalizatora w zakresie ultrafioletu na bazie tantalanu sodu(inne języki) (NaTaO₃) domieszkowanego lantanem z tlenkiem niklu(II) jako kokatalizatorem.
Wykorzystanie tlenku tytanu(IV) w samoczyszczących się powierzchniach. Proces samoczyszczenia jest wynikiem generowania reaktywnych form tlenu przez katalizator wzbudzony promieniowaniem z zakresu bliskiego ultrafioletu
Do produkcji fotokatalizatorów do oczyszczania z herbicydów wody z pól uprawnych.
Sterylizacja narzędzi chirurgicznych i usuwanie niepożądanych odcisków palców z wrażliwych elementów elektrycznych i optycznych.
Terapia fotodynamiczna nowotworów (PDT).

Zobacz też

Przypisy

↑ Silvia E.S.E. Braslavsky Silvia E.S.E. i inni, Glossary of terms used in photocatalysis and radiation catalysis (IUPAC Recommendations 2011), „Pure and Applied Chemistry”, 83 (4), 2011, s. 931–1014, DOI: 10.1351/PAC-REC-09-09-36 [dostęp 2024-10-08] (ang.).
↑ W.W. Li W.W., S. IsmatS.I. Shah S. IsmatS.I., Semiconductor Nanoparticles for Photocatalysis, [w:] Hari SinghH.S. Nalwa (red.), Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, t. 9, North Lewis Way (Calif.): American Scientific Publishers, 2004, s. 669–695, DOI: 10.1166/000000004323030366, ISBN 978-1-58883-001-2 [dostęp 2024-10-08] (ang.).
↑ MartaM. Kowalkińska MartaM., AnnaA. Zielińska-Jurek AnnaA., Różne oblicza nanostruktur tlenku tytanu(IV), „Laborant” (1-14), laborant.pl [dostęp 2024-10-08] .
↑ JennyJ. Schneider JennyJ. i inni, Understanding TiO₂ Photocatalysis: Mechanisms and Materials, „Chemical Reviews”, 114 (19), 2014, s. 9919–9986, DOI: 10.1021/cr5001892 [dostęp 2024-10-08] (ang.).
↑ AkihikoA. Kudo AkihikoA., HidekiH. Kato HidekiH., IsseiI. Tsuji IsseiI., Strategies for the Development of Visible-light-driven Photocatalysts for Water Splitting, „Chemistry Letters”, 33 (12), 2004, s. 1534–1539, DOI: 10.1246/cl.2004.1534 [dostęp 2024-10-08] (ang.).
↑ KaishuK. Guan KaishuK., Relationship between photocatalytic activity, hydrophilicity and self-cleaning effect of TiO₂/SiO₂ films, „Surface and Coatings Technology”, 191 (2-3), 2005, s. 155–160, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.02.022 [dostęp 2024-10-08] (ang.).
↑ Fourth generation photocatalysts: nano-engineered composites for water decontamination in low-cost paintable photoreactors. ], 2013-06-22. [dostęp 2013-06-22]. (ang.).
↑ New Visible Light Photocatalyst Kills Bacteria, Even After Light Turned Off. ScienceDaily, 2010-06-20. [dostęp 2013-06-26].
↑ JamesJ. Chen JamesJ. i inni, New Technology for Deep Light Distribution in Tissue for Phototherapy:, „The Cancer Journal”, 8 (2), 2002, s. 154–163, DOI: 10.1097/00130404-200203000-00009 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[IUPAC_Recommendations_2011-1] Silvia E.S.E. Braslavsky Silvia E.S.E. i inni, Glossary of terms used in photocatalysis and radiation catalysis (IUPAC Recommendations 2011), „Pure and Applied Chemistry”, 83 (4), 2011, s. 931–1014, DOI: 10.1351/PAC-REC-09-09-36 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[2] W.W. Li W.W., S. IsmatS.I. Shah S. IsmatS.I., Semiconductor Nanoparticles for Photocatalysis, [w:] Hari SinghH.S. Nalwa (red.), Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, t. 9, North Lewis Way (Calif.): American Scientific Publishers, 2004, s. 669–695, DOI: 10.1166/000000004323030366, ISBN 978-1-58883-001-2 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[3] MartaM. Kowalkińska MartaM., AnnaA. Zielińska-Jurek AnnaA., Różne oblicza nanostruktur tlenku tytanu(IV), „Laborant” (1-14), laborant.pl [dostęp 2024-10-08] .

[4] JennyJ. Schneider JennyJ. i inni, Understanding TiO₂ Photocatalysis: Mechanisms and Materials, „Chemical Reviews”, 114 (19), 2014, s. 9919–9986, DOI: 10.1021/cr5001892 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[self_clening_surface-5] AkihikoA. Kudo AkihikoA., HidekiH. Kato HidekiH., IsseiI. Tsuji IsseiI., Strategies for the Development of Visible-light-driven Photocatalysts for Water Splitting, „Chemistry Letters”, 33 (12), 2004, s. 1534–1539, DOI: 10.1246/cl.2004.1534 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[water_spliting-6] KaishuK. Guan KaishuK., Relationship between photocatalytic activity, hydrophilicity and self-cleaning effect of TiO₂/SiO₂ films, „Surface and Coatings Technology”, 191 (2-3), 2005, s. 155–160, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2004.02.022 [dostęp 2024-10-08] (ang.).

[4G-PHOTOCAT-7] Fourth generation photocatalysts: nano-engineered composites for water decontamination in low-cost paintable photoreactors. ], 2013-06-22. [dostęp 2013-06-22]. (ang.).

[sciencedaily-8] New Visible Light Photocatalyst Kills Bacteria, Even After Light Turned Off. ScienceDaily, 2010-06-20. [dostęp 2013-06-26].

[PDT-9] JamesJ. Chen JamesJ. i inni, New Technology for Deep Light Distribution in Tissue for Phototherapy:, „The Cancer Journal”, 8 (2), 2002, s. 154–163, DOI: 10.1097/00130404-200203000-00009 [dostęp 2024-10-08] (ang.).