In der Chemie ist Photokatalyse die Beschleunigung einer Photoreaktion in Gegenwart eines Katalysators .
Das Prinzip der Photokatalyse basiert auf der Aktivierung eines Halbleiters durch Licht. Der Halbleiter gilt als Katalysator. Ihr Prinzip ähnelt der heterogenen Katalyse, bei der die Oxidations-Reduktions-Reaktion an der Oberfläche des Katalysators stattfindet.
Es ist die Absorption eines Photons , deren Energie größer ist als die Lücke zwischen dem Valenz- Band und dem Leitungsband , die ein bilden Elektron - Lochpaar in den Halbleiter. Es kommt zur Emission eines Elektrons auf der Ebene des Leitungsbandes und zur Bildung eines Lochs im Valenzband. Dieses Elektron-Loch-Paar ermöglicht die Bildung von freien Radikalen, die entweder mit im Medium vorhandenen Verbindungen reagieren oder nach verschiedenen Mechanismen rekombinieren. Jeder Halbleiter hat eine für ihn spezifische Energiedifferenz zwischen seinem Leitungsband und seinem Valenzband.
Es werden verschiedene Reaktionsmechanismen vorgeschlagen, es wurde jedoch gezeigt, dass die Anwesenheit von Wasser für die Durchführung der photokatalytischen Reaktion erforderlich ist. Im Allgemeinen besteht der Zweck dieser Reaktion darin, Verbindungen zu oxidieren, um Kohlendioxid und Wasser zu erhalten. Es können auch Zwischenprodukte für die Oxidation der Ausgangsprodukte vorliegen, wenn die Reaktion nicht vollständig ist. Um eine vollständige Reaktion zu fördern, werden Experimente durchgeführt, um die Rekombination zwischen dem Elektron-Loch-Paar zu verlangsamen.
Die photokatalytische Oxidation hängt von einer Synergie zwischen mehreren Parametern ab: Lebensdauer der Ladungsträger, Adsorptions- / Desorptionsrate von Verbindungen an der Oberfläche des Halbleiters.
Die am häufigsten verwendeten Photokatalysatoren sind Halbleiter mit einer breiten verbotenen Bande oder Lücke . Oft sind dies Oxide oder Sulfide (TiO 2 , ZnO, CeO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , CdS, ZnS, etc. ). Die elektrochemischen Potentiale der Halbleiter- und Redoxpaare O 2/ H 2 Ound H 2 /H 2 Ozeigt, dass eine Interaktion zwischen ihnen möglich ist. Tatsächlich werden Radikalspezies aus O 2 . gebildet(Oxidation) und H 2 O (die Ermäßigung).
Aufgrund seiner Leistung und Kosten wird Titandioxid (TiO 2 ) oft als Photokatalysator bevorzugt. Es existiert in drei kristallinen Formen: Brookit , Anatas und Rutil , aber nur die Anatas- und weniger Rutil-Strukturen haben photokatalytische Eigenschaften. Es hat sich gezeigt, dass eine Anatas/Rutil-Mischung (im Verhältnis 80/20 ) bessere Ergebnisse liefert als die eine oder andere der Strukturen allein. Um seine Leistung zu verbessern, zeigen Experimente, dass in Gegenwart von Platin die Rekombinationszeit des Elektron-Loch-Paares verlangsamt wird.
Wie bereits geschrieben, wird der photokatalytische Abbau bereits verwendet, um viele organische Verbindungen (in flüssiger oder gasförmiger Phase) vollständig zu mineralisieren , aber vor allem das Ultraviolett ist aktiv. Diese Technik weist auf ein breites Anwendungsgebiet hin.
Eine Aktivierung des Katalysators ist nur für Photonen hoher Energien möglich, die größer als die Lücke des Halbleiters sind, dh für eine Wellenlänge , die dem Ultraviolett für Titandioxid entspricht. Der Photokatalysator zeigt daher bei Sonneneinstrahlung keine große Aktivität (für Titanoxid beträgt die nutzbare Sonneneinstrahlung nur 4%). Die Forschung zielt daher darauf ab, die spektrale Ansprechlänge des Katalysators zu verbreitern, beispielsweise durch Dotieren des Halbleiters mit Übergangsmetallen , Sensibilisieren der Oberfläche oder sogar durch Stapeln von Halbleitern.
Nach Ryoji Asahi et al. (2001) würde die Dotierung von TiO 2 mit Stickstoff den Katalysator für Bestrahlungen im sichtbaren Bereich aktivieren. S.-K. Junget al. (2006) fanden ebenfalls Ergebnisse, die die Wirkung von Doping bestätigen. Auf dem Gebiet der Photokatalyse treten noch Verbesserungen auf.
Eine weitere Bedingung ist, dass das Material (Farbpigment, Putz, Glas, Zement usw. ) sauber bleibt.
Wir versuchen, „selbstreinigende“ oder leicht zu reinigende Materialien herzustellen.