فوتوکاتالیـز برای اولین بار در دهه 1910 بر اساس پایگاه داده های CAPLUS و MEDLINE معرفی شد. واژه فوتوکاتالیز در اوایل سال 1910 درکتابی از Plotnikow در ادبیات روسیه ظاهر شد. و چند سال بعد توسط Landau در فرانسه معرفی شد.
کلمه Photocatalysis به معنای تجزیه نور میباشد. این فناوری در دهه 1970 در نتیجه کشف قابل توجه فوجیشیما و هوندا توسعه یافت. در سال 1972 فوجیشیما و هوندا آب را با استفاده از کاتالیزور نیمه رسانا به روش فوتوالکتروشیمیایی به هیدروژن و اکسیژن تجزیه کردند. فوتوالکترود به منظور جذب نور استفاده شد که منجر به تجزیه الکتروشیمیایی آب شد. متعاقباً، فعالیت‌های زیادی در زمینه فتوکاتالیز وجود داشت که ناشی از بحران انرژی در اواخر دهه 1970 بود. در سال 1996 جایزه نوبل شیمی به اسمالی، کروتو و کرل به دلیل کشف فولرن‌ها اعطا شد. همزمان به دلیل پتانسیل نانوتکنولوژی برای حل برخی از مشکلات کلیدی مرتبط با فوتوکاتالیز پیشرفت‌هایی در فوتوکاتالیز ناهمگن با استفاده از نانوذرات اتفاق افتاد.
فوتوکاتالیز چیست؟
فوتوکـاتالیز را می توان به عنوان تغییر در سرعت تبدیل شیمیایی، تحت تأثیر نور، در حضور کاتالـیزوری که نور را جذب می کند تعریف کرد. فوتوکاتالیز پدیده ای است که در آن یک جفت الکترون-حفره بر اثر قرار گرفتن یک ماده نیمه رسانا در معرض نور ایجاد می شود. فوتوکاتالیز شامل واکنش هایی است که با استفاده از نور و یک نیمه رسانا انجام می شود. بستری که نور را جذب می کند و به عنوان یک کاتالیزور برای واکنش های شیمیایی عمل می کند به عنوان فوتوکاتالیست شناخته می شود. فوتوکاتالیست ها موادی هستند که سرعت یک واکنش شیمیایی را در مواجهه با نور تغییر می دهند و اساسا نیمه رسانا هستند. نیمه رسانا ها قادرند الکتریسیته را حتی در دمای اتاق در حضور نور هدایت کنند و از این رو به عنوان فوتوکاتالیست عمل می کنند.
انواع فوتوکاتالیست
فوتوکاتالیست ها به سه دسته اصلی تقسیم میشوند
اکسید ها مانند اکسید تیتانیوم، اکسید روی، اکسید مس و سایر اکسیدهای فلزی مانند اکسید مولیبدن، اکسید وانادیوم، اکسید ایندیم، اکسید تنگستن و اکسید سریم.
سولفیدها مانند سولفید روی و سولفید کادمیم
دسته سوم مانند باریم، تیتانات و فریت ها
انواع واکنش فوتوکاتالیستی
واکنش های فوتوکاتالیستی را می توان بر اساس وضعیت فیزیکی واکنش دهنده ها به دو نوع طبقه بندی کرد
فوتوکاتالیزهمگن: هنگامی که نیمه رسانا و واکنش دهنده هر دو در یک فاز هستند، یعنی گاز، جامد یا مایع، فوتوکاتالیز را همگن می نامند.
فتوکاتالیز ناهمگن: زمانی که واکنش دهنده و نیمه رسانا هر دو در فازهای مختلف هستند، فوتوکاتالیز ناهمگن طبقه بندی می شوند.
در فوتوکاتالیز ناهمگن، هنگامی که مواد نیمه رسانا در معرض نور با طول موج مناسب قرار میگیرد انرژی فوتون ها توسط یک الکترون باند ظرفیت جذب می شود. هنگامی که انرژی نور ورودی بیشتر از شکاف نواری نیمه رسانا باشد، حامل های بار در داخل ماده جاذب نیمه هادی با تحریک الکترون ها و استفاده از انرژی نور جذبی، ازنوار ظرفیت VB به نوار رسانایی CB تبدیل میشوند. پس از جداسازی، بار، حامل های بار، فوتون تولید شده برای واکنش سطح بعدی باید از طریق جاذب به سطح بروند، فوتون های تابیده شده را می توان به عنوان مجراهای واکنش کلی در نظر گرفت.
بسته به موقعیت نسبی نوارهای ظرفیت و هدایت و سطوح ردوکس، چهار روش وجود دارد که در آنها نیمه هادی و بستر با یکدیگر تعامل کنند.
- کاهش سطح زیرلایه زمانی اتفاق می‌افتد که سطح ردوکس زیرلایه کمتر از نوار رسانایی نیمه‌رسانا باشد.
- اکسیداسیون زیرلایه زمانی صورت می گیرد که سطح اکسیداسیون و کاهش سطح زیرلایه بالاتر از باند ظرفیت نیمه هادی باشد.
- هنگامی که سطح اکسیداسیون و کاهش سطح زیرلایه بالاتر از نوار هدایت و کمتر از باند ظرفیت نیمه هادی باشد، اکسیداسیون و کاهش امکان پذیر نیست.
- هم احیا و هم اکسیداسیون زیرلایه زمانی اتفاق می‌افتد که سطح اکسیداسیون و کاهش سطح زیرلایه کمتر از نوار هدایت و بالاتر از نوار ظرفیت باشد.
کاربردهای فوتوکاتالیست ها
فوتوکاتالیست ها ممکن است برای تصفیه هوا، تصفیه فاضلاب،ضد رسوب، ضد مه، حفظ و ذخیره انرژی، بو زدایی، استریل کردن، خود تمیز شوندگی و غیره استفاده شوند. برخی از نیمه هادی ها قادر به فوتوکاتالیزه کردن کانی سازی کامل بسیاری از آلاینده های آلی مانند آروماتیک ها، هیدروکربن های هاله ای هستند. به عنوان ضد اکسیداسیون، آب را می توان به اکسیژن اکسید کرد، زیرا واکنش کلی، تقسیم آب فوتوکاتالیستی است. اصطلاح تجزیه آب تنها زمانی باید به کار رود که از آب خالص به عنوان حلال و واکنش دهنده استفاده شود، بدون هیچ گونه معرف اضافی مانند الکل.
یکی از مهم‌ترین چالش‌های امروز جامعه ما، جایگزینی سوخت‌های فسیلی مبتنی بر کربن معمولی با حامل‌های انرژی جایگزین است که به تغییرات آب و هوایی کمکی نمی‌کنند. ساده‌ترین راه برای سوخت‌های تجدیدپذیر، استفاده از انرژی فتوولتائیک یا باد برای تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن، ذخیره انرژی تجدیدپذیر برای زمان‌هایی با شدت نور کم یا باد کم در پیوندهای شیمیایی محصولات است. یک راه جایگزین برای تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن، انجام تقسیم آب در سطح نیمه رسانا ها است.هیدروژن که از این طریق تولید می شود، حامل انرژی سبز و سوخت سوزاننده ای است که تولید یا سوزاندن آن دی اکسید کربن تولید نمی کند. امروزه سلول‌های فتوولتائیک کوپل شده به الکترولیزهای آب، بهترین کارایی را برای واکنش تجزیه آب دارند، اما هزینه بالای این فناوری مانعی در مقیاس جهانی است.
دی اکسید تیتانیوم
در میان بسیاری از کاندیدهای فتوکاتالیست TiO2 تقریباً تنها ماده مناسب برای استفاده صنعتی در حال حاضر است. به این دلیل که کارآمدترین نور فعال، بالاترین پایداری و کمترین هزینه را دارد. از زمان های قدیم به عنوان یک رنگدانه سفید از آن استفاده میکردند. بنابراین، برای انسان و محیط زیست خطرناک نیست.
دو نوع واکنش فتوشیمیایی وجود دارد که بر روی سطح در هنگام تابش نور ماوراء بنفش انجام می شود. یکی شامل واکنش های ردوکس ناشی از عکس مواد جذب شده، و دیگری تبدیل آبدوست ناشی از عکس خود TiO2 میباشد. نوع اول از اوایل قرن بیستم شناخته شد، اما دومی تنها در پایان قرن پیدا شد. ترکیب این دو عملکرد، کاربردهای جدید مختلفی را به ویژه در زمینه مصالح ساختمانی باز کرده است.
یکی از کاربردهای TiO2 در ساختمانهای خود تمیز شونده است. کاشی ها و سایر سطوح پوشش داده شده با خواص این ماده تمیز می مانند. نور خورشید باعث اکسیداسیون می شود که کثیفی را از بین می برد. آب دوستی این مواد باعث پخش شدن آب می شود و سطوح شستشو را تمیز می کند. دستگاه های تصفیه هوا و آینه های ضد مه دو کاربرد محبوب دیگر هستند.