فوتوکاتالیست
فتوکاتالیست چیست؟ | آشنایی با پدیده فوتوکاتالیستی و مکانیسم آنReviewed by 02177641136 on Oct 30Rating: 5.0

فتوکاتالیست به دلیل کاربرد های فراوان در سال های اخیر توجه های زیادی را به خود جلب نموده است. از جمله کاربرد های مهم این پدیده می توان به آب گریز و آب دوست کردن سطوح، تفکیک آب برای تولید هیدروژن و تخریب آلاینده های آلی موجود در پساب های صنعتی اشاره نمود. در ادامه با پدیده و مکانیسم فوتوکاتالیست بیشتر آشنا خواهیم شد:

1‏-‏1 فتوکاتالیست چیست؟

فرآیند فتوکاتالیستی بر روی مواد نیمه‌رسانا صورت می‌گیرد که در ‏شکل (1ـ2) نشان داده شده است. نیمه‌رساناها ساختار نواری دارند که نوار رسانش [CB)[1) با نوار ظرفیت [VB)[2) فاصله‌ای دارد که به آن گاف [3] می‌گویند. زمانی که انرژی فوتون بیش از گاف باشد، الکترون در نوار ظرفیت برانگیخته شده و به نوار رسانش می‌رود و حفره در نوار ظرفیت ایجاد می‌شود. این الکترون و حفره برانگیخته شده عامل اکسایش و کاهش هستند. در حالت کلی رابطه تجربی (1) بین طول گاف انرژی و طول موج نور مورد استفاده برقرار می‌‌باشد. طیف موج الکترومغناطیسی نیز در ‏شکل (1ـ1) اورده شده است.

طیف موج الکترومغناطیسیی و اثر فوتوکاتالیست 2

مشخصه مهم در مواد فتوکاتالیست نیمه‌رسانا، عرض گاف و سطح نوار ظرفیت و سطح نوار رسانش است. 

اثر فوتو کاتالیست چیست

1‏-‏2 ساخت فوتوکاتالیست

‏شکل (1ـ3) نشان دهنده عناصری می‌‌باشد که با آن مواد فتوکاتالیست ساخته می‌‌شوند. بسیاری از اکسیدهای فلزی، سولفیدها و نیترید‌‌های که بر پایه کاتیون‌‌های فلزی گروه d0 و d10 هستند خاصیت فوتوکاتالیستی دارند. فوتوکاتالیست‌‌ هایی که بر پایه کاتیون‌‌های فلزی فعال با اوربیتال d خالی می‌‌باشند به عنوان گروه d0 تعریف می‌‌شوند و فتوکاتالیست‌‌ های که بر پایه کاتیون‌‌های فلزی معمولی با اوربیتال d پر می‌‌باشند به عنوان گروه  تعریف می‌‌شوند.

ساخت فوتوکاتالیست

2-2-1 عناصر گروه d0

این گروه شامل کاتیون‌‌های Ti4+, Zr4+, Nb5+, Ta5+, W6 است و فعالیت فوتوکاتالیستی بالایی از خود نشان می دهند. نوار ظرفیت این فوتوکاتالیست‌‌ ها به جز  AgTaO3 در اوربیتال O2P قرار دارد و پتانسیل کاهشی آن حدود 3 الکترون‌‌ ولت می‌‌باشد، و نوار رسانش ‌‌آن‌‌ها منفی‌‌تر از پتاسیل کاهشی استاندارد هیدروژن (00/0 الکترون‌‌ولت) است، لذا طبق معادله (1) طول موج نور مورد نیاز برای برانگیخته شدن الکترون_حفره برای این فوتوکاتالیست‌‌ها کوچکتر از 400 نانومتر می‌‌باشد، که با توجه به ‏شکل (1ـ1) این کار فقط به وسیله نور فرابنفش امکان پذیر می‌‌باشد.

مهم‌‌ترین فتوکاتالیست این گروه دی اکسید تیتانیوم است. این ماده در سه نوع ساختار روتیل[4]، آناتاز و بروکیت[5] بلور می‌‌شود. گاف انرژی معادل با 3 الکترون‌‌ولت برای روتیل و 15/3 الکترون‌‌ولت برای آناتاز دارند. TiO2 یکی از مناسب‌ترین مواد فتوکاتالیستی برای تجزیه آب در زیر نور  است، البته پس از کشف اثر آن توسط هوندا-فوجیشیما[6] که در سلول فتوالکتروشیمیایی با استفاده از الکترود TiO2 با مقداری ولتاژ بایاس آب را تجزیه کردند.

 

در ‏جدول (1ـ1) فتوکاتالیست‌ های با پیکربندی d0 آورده شده است. در این جدول مقدار تولید هیدروژن و اکسیژن از تفکیک فوتوکاتالیستی آب به عنوان معیاری برای فعالیت فوتوکاتالیستی آورده شده است.

جدول (1ـ1) فوتوکاتالیست با پیکربندی عناصرd0  

فتوکاتالیستساختار بلوریگاف (eV)کاتالیست همراهمنبع نورمحلول واکنشH2
µmol/h
O2
µmol/h
TiOx
TiO2آناتاز[7]3.2RhHg-Qبخار آب449
TiO2آناتاز3.2NiOxHg-PNaOH

 3 مولار

62
TiO2آناتاز3.2PtHg-QNa2CO3 2.2 مولار658287
TiO2آناتاز3.2PtHg-Qآب خالص10653
B/TiOxآناتاز3.2PtHg-Qآب خالص2211
CaTiO3پروسکایت[8]3.5NiOxHg-QNaOH 0.2 مولار3017
SrTiO3پروسکایت3.2NiOxHg-PNaOH 5 مولار4019
SrTiO3پروسکایت3.2RhHg-Xe-Pآب خالص2714
Sr3Ti2O7پروسکایت لایه‌ای3.2NiOxHg-Qآب خالص14472
Sr4Ti3O10پروسکایت لایه‌ای3.2NiOxHg-Qآب خالص170
K2La2Ti3O10پروسکایت لایه‌ای3.4-3.5NiOxHg-QKOH 0.1 مولار21861131
Rb2La2Ti3O10پروسکایت لایه‌ای3.4-3.5NiOxHg-QRbOH 0.1 مولار869430
Cs2La2Ti3O10پروسکایت لایه‌ای3.4-3.5NiOxHg-Qآب خالص700340
La2TiO5پروسکایت لایه‌ایNiOxHg-Qآب خالص442
La2Ti3O9پروسکایت لایه‌ایNiOxHg-Qآب خالص386
La2Ti2O7پروسکایت لایه‌ای3.8NiOxHg-Qآب خالص441
La2Ti2O7:Baپروسکایت لایه‌ایNiOxHg-Qآب خالص5000
KaLaZr0.3Ti0.7O4پروسکایت لایه‌ای3.91NiOxHg-Qآب خالص230116
La4CaTi5O17پروسکایت لایه‌ای3.8NiOxHg-Qآب خالص499
KTiNbO5ساختار لایه‌ای3.6NiOxHg-Qآب خالص3010
Na2Ti6O13ساختار تونلیRuO2Xe-Qآب خالص7.33.5
BaTi4O9ساختار تونلیRuO2Hg-Qآب خالص3316
Gd2Ti2O7هرمی[9] مکعب3.5NiOxHg-Qآب خالص400198
Y2Ti2O7هرمی مکعب3.5NiOxHg-Qآب خالص850420
ZrOx
ZrO25.0نداردHg-Qآب خالص7236
NbOx
K4Nb6O17ساختار لایه‌ای3.4NiOxHg-Qآب خالص1837850
Rb4Nb6O17ساختار لایه‌ای3.4NiOxHg-Qآب خالص936451
Ca2Nb2O7پروسکایت لایه‌ای4.3NiOxHg-Qآب خالص
ZnNb2O6کلمبیت[10]4.0NiOxHg-Qآب خالص5421
Cs2Nb4O11شبه هرمی3.7NiOxHg-Qآب خالص1700800
La3NbO7فلئوریت[11] مربعی3.9NiOxHg-Qآب خالص3517
TaOx
Ta2O54NiOxHg-Qآب خالص1154529
K2PrTa5O15برنز تنگستن[12]3.8NiOxHg-Qآب خالص1550830
K3Ta3Si2O13برنز تنگستن4.1NiOxHg-Qآب خالص390200
K3Ta3Si2O13برنز تنگستن4.0نداردHg-Qآب خالص23901210
LiTaO3ایلمنیت[13]4.7نداردHg-Qآب خالص430220
NaTaO3پروسکایت4.0NiOHg-Qآب خالص21801100
KTaO3پروسکایت3.6NIHg-Qآب خالص62
NaTaO3:Laپروسکایت4.1NiOHg-Qآب خالص198009700
NaTaO3:Srپروسکایت4.1NiOHg-Qآب خالص95004700
SrTa2O64.4NiOHg-Qآب خالص960490
Sr2Ta2O7پروسکایت لایه‌ای4.6NiOHg-Qآب خالص1000480
H2La2/3Ta2O7پروسکایت لایه‌ای4.0NiOxHg-Qآب خالص940459
Sr5Ta4O15پروسکایت لایه‌ای4.75NiOHg-Qآب خالص1194722
Ba5Ta4O15پروسکایت لایه‌ایNiOHg-Qآب خالص2080910

 

در جدول بالا Hg-Q ترکیب لامپ W Hg 400-450 با سلول کوارتز[14] و Hg-P ترکیب لامپ W Hg 400-450 با سلول پیرکس[15] و  Xe-Q ترکیب لامپ W Xe 300-500 با سلول کوارتز و Hg-Xe-P ترکیب لامپ W Hg-Xe 1000 با سلول پیرکس و Hg-Xe-Q ترکیب لامپ  Hg-Xe, W 200 با سلول کوارتز است.

3-2-1 عناصر گروه d10

اکسید فلزات با پیکربندی d10 مانند ZnO و In2O3 فتوکاتالیست‌ هایی شناخته شده‌اند، اگر چه برای تجزیه آب فعال نیستند چون طبق واکنش(1)، خوردگی نوری[16] صورت گرفته و سطح نوار رسانش پایین بوده .

پدیده ی فتوکاتالیستی و عناصر گروه d10

گروه اینوی[17] اکسید فتوکاتالیست‌ های ترکیبی، مختلفی از کاتیون فلزات با پیکربندی d10 معرفی نمودند، که در ‏جدول (1ـ2) نشان داده شده است.

جدول (1ـ2) فوتوکاتالیست با پیکر بندی عناصر گروه d10

فتوکاتالیستساختار بلوریگاف (eV)فعالیت H2فعالیت O2
NaInO2ساختار لایه‌ای3.90.90.3
CaIn2O4ساختار تونلی2110
SrIn2O4ساختار تونلی3.673
LaInO34.110.5
YxIn2-xO34.384
NaSbO3ایلمنیت3.61.70.8
CaSb2O6ساختار لایه‌ای3.61.50.2
Ca2Sb2O7وبرایت[18]3.931
Sr2Sb2O7وبرایت4.083
Sr2SnO452.5
Zn2Ga2O44.2104
Zn2GeO4ویله میت[19]4.62210
LiInGeO44.42613
Ga2O34.64623
Ga2O3:Znویله میت[20]4.641002200

 

مراجع:

[1]    A. Kudo, Y. Miseki, G. Editors, D. Nocera, and D. Guldi, “Heterogeneous photocatalyst materials for water splitting,” Chem. Soc. Rev., vol. 38, no. 1, pp. 253–278, 2009.

[2]    M. Kitano and M. Hara, “Heterogeneous photocatalytic cleavage of water,” J. Mater. Chem., vol. 20, no. 4, pp. 627–641, 2010.

[1] Conduction band

[2] Valence band

[3] Band gap

[4] Rutile

[5] Brookite

[6] Honda-Fujishima

[7] Anatase

[8] Perovskite

[9] Pyrochlore

[10] Columbite

[11] Fluorite

[12] Tungsten bronze

[13] Ilmenite

[14] Quartz

[15] Pyrex

[16] photocorrosion

[17] Inoue

[18] Weberite

[19] Willemite

[20] Willemite

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *