Fotokataliza – Wikipedia, wolna encyklopedia

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^[1]. W procesie wykorzystywane są najczęściej tlenki metali z grupy półprzewodników typu, takie jak tlenek cynku (ZnO), tlenek wolframu(VI) (WO
3), tlenek tytanu(IV) (TiO
2), tytanian strontu(inne języki) (SrTiO
3), wanadan bizmutu(inne języki) (BiVO
4), jak również siarczki (CdS, ZnS), a także związki węgla, np. grafitowy azotek węgla (g-C
3N
4) lub związki metaloorganiczne^[2]^[3].

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 (O•−
2) oraz tlen singletowy (¹O₂), odpowiedzialne (obok elektronów i dziur) za przebieg reakcji fotokatalitycznej^[4].

Zastosowanie

Otrzymywanie wodoru poprzez fotokatalityczny rozkład wody^[5] z wykorzystaniem wydajnego fotokatalizatora w zakresie ultrafioletu na bazie tantalanu sodu(inne języki) (NaTaO
3) 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^[6]
Do produkcji fotokatalizatorów do oczyszczania z herbicydów wody z pól uprawnych^[7].
Sterylizacja narzędzi chirurgicznych i usuwanie niepożądanych odcisków palców z wrażliwych elementów elektrycznych i optycznych^[8].
Terapia fotodynamiczna nowotworów (PDT)^[9].

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.).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]