Προβολές: 0 Συγγραφέας: Επεξεργαστής ιστότοπου Χρόνος δημοσίευσης: 2025-01-30 Προέλευση: Τοποθεσία
Το διοξείδιο του τιτανίου (Tio₂) έχει αναδειχθεί ως ένα πολύ ελπιδοφόρο υλικό στον τομέα της φωτοκαταλύματος λόγω των αξιοσημείωτων του ιδιοτήτων όπως η χημική σταθερότητα, η μη τοξικότητα και το σχετικά χαμηλό κόστος. Η φωτοκαταλύση, η διαδικασία με την οποία χρησιμοποιείται η φωτεινή ενέργεια για την προώθηση των χημικών αντιδράσεων με τη βοήθεια φωτοκαταλύτη όπως το Tio₂, έχει πολυάριθμες εφαρμογές όπως ο καθαρισμός του νερού, ο καθαρισμός του αέρα και οι αυτοκαθαριστικές επιφάνειες. Ωστόσο, η φυσική φωτοκαταλυτική δράση του Tio₂ συχνά πρέπει να ενισχυθεί για να ικανοποιηθεί οι απαιτήσεις διαφόρων πρακτικών εφαρμογών. Σε αυτή τη συνολική μελέτη, θα εμβαθύνουμε βαθιά στις διάφορες στρατηγικές και μηχανισμούς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δράσης του Tio₂.
Πριν από την εξερεύνηση των μεθόδων βελτίωσης, είναι ζωτικής σημασίας να έχουμε μια σταθερή κατανόηση των θεμελιωδών αρχών της φωτοκαταταλλίας Tio₂. Το Tio₂ είναι υλικό ημιαγωγού με χαρακτηριστικό bandgap. Όταν τα φωτόνια με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από την ενέργεια του bandgap του Tio₂ (για την αναταράση tio₂, το bandgap είναι περίπου 3,2 eV) χτυπά την επιφάνεια του υλικού, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους είναι ενθουσιασμένοι με τη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας πίσω τις τρύπες στη ζώνη σθένος. Αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών είναι οι βασικοί παίκτες της φωτοκαταλυτικής διαδικασίας.
Τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας μπορούν να αντιδράσουν με τους δέκτες ηλεκτρονίων, όπως τα μόρια οξυγόνου που προσροφούνται στην επιφάνεια Tio₂, μειώνοντάς τα σε ρίζες υπεροξειδίου (O₂⁻ •). Εν τω μεταξύ, οι τρύπες στη ζώνη σθένους μπορούν να οξειδώσουν τους δωρητές ηλεκτρονίων όπως το νερό ή τους οργανικούς ρύπους που υπάρχουν στην επιφάνεια, δημιουργώντας ρίζες υδροξυλίου (OH •). Αυτές οι εξαιρετικά αντιδραστικές ρίζες είναι ικανές να διασπούν οργανικές μολυσματικές ουσίες σε μικρότερα, λιγότερο επιβλαβή μόρια μέσω μιας σειράς αντιδράσεων οξείδωσης και μείωσης. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του καθαρισμού του νερού, οι οργανικοί ρύποι όπως οι βαφές ή τα φυτοφάρμακα μπορούν να υποβαθμιστούν αποτελεσματικά από τη δράση αυτών των ριζοσπαστών.
Ωστόσο, αρκετοί παράγοντες μπορούν να περιορίσουν την αποτελεσματικότητα αυτής της φυσικής φωτοκαταλυτικής διαδικασίας. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι ο γρήγορος ανασυνδυασμός ζευγών ηλεκτρονίων-οπών πριν μπορέσουν να συμμετάσχουν στις επιθυμητές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής. Επιπλέον, η ικανότητα προσρόφησης του Tio₂ για τους ρύπους και η αποτελεσματικότητα της χρήσης της φωτεινής ενέργειας διαδραματίζουν επίσης σημαντικούς ρόλους για τον προσδιορισμό της συνολικής φωτοκαταλυτικής δραστικότητας. Η κατανόηση αυτών των περιορισμών παρέχει ένα θεμέλιο για τη διερεύνηση στρατηγικών για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης του Tio₂.
Το ντόπινγκ είναι μια ευρέως μελετημένη μέθοδος για τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής δράσης του Tio₂. Περιλαμβάνει την εισαγωγή ξένων ατόμων στη δομή πλέγματος Tio₂. Αυτά τα άτομα του ντόπιου μπορούν να μεταβάλλουν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του Tio₂, επηρεάζοντας έτσι τη φωτοκαταλυτική συμπεριφορά του.
Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι ντόπινγκ: κατιονικός ντόπινγκ και ανιονικός ντόπινγκ. Το κατιονικό ντόπινγκ συνήθως περιλαμβάνει την υποκατάσταση των ατόμων τιτανίου (Ti) στο πλέγμα Tio₂ με μεταλλικά κατιόντα όπως μεταβατικά μέταλλα (π.χ. Fe, Cu, Mn). Για παράδειγμα, όταν τα ιόντα Fe3 είναι προσβληθέντα σε Tio₂, μπορούν να εισαγάγουν πρόσθετα επίπεδα ενέργειας μέσα στο bandgap του Tio₂. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε μείωση του αποτελεσματικού bandgap, επιτρέποντας στο Tio₂ να απορροφήσει το φως με χαμηλότερη ενέργεια από το εγγενές του bandgap. Ως αποτέλεσμα, ένα ευρύτερο φάσμα του ηλιακού φάσματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φωτοκαταλύση. Σε μια μελέτη από το [όνομα του ερευνητή], διαπιστώθηκε ότι το Fe-doped Tio₂ παρουσίασε σημαντικά ενισχυμένη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση της βαφής μεθυλενίου υπό ορατή ακτινοβολία φωτός σε σύγκριση με την καθαρή Tio₂. Ο ρυθμός αποικοδόμησης αυξήθηκε κατά περίπου 40% υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες.
Το ανιονικό ντόπινγκ, από την άλλη πλευρά, συνήθως περιλαμβάνει την αντικατάσταση των ατόμων οξυγόνου (Ο) στο πλέγμα Tio₂. Για παράδειγμα, το ντόπινγκ με άζωτο (Ν) έχει διερευνηθεί εκτενώς. Το ντόπινγκ αζώτου μπορεί να δημιουργήσει καταστάσεις μεσαίου διαρρόφου εντός του bandgap του Tio₂, γεγονός που μπορεί επίσης να οδηγήσει σε μείωση της αποτελεσματικής ζώνης και ενισχυμένης απορρόφησης ορατού φωτός. Μια ερευνητική ομάδα ανέφερε ότι το N-doped Tio₂ ήταν σε θέση να υποβαθμίσει τους οργανικούς ρύπους στα λύματα πιο αποτελεσματικά από ό, τι δεν είναι ορατό Tio₂ υπό ορατό φως. Η ενισχυμένη αποικοδόμηση αποδόθηκε στη βελτιωμένη απορρόφηση φωτός και στον αυξημένο διαχωρισμό των ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών λόγω της παρουσίας των καταστάσεων μεσαίου κενού.
Ωστόσο, το ντόπινγκ έχει επίσης τις προκλήσεις του. Η βέλτιστη συγκέντρωση ντόπινγκ πρέπει να προσδιοριστεί προσεκτικά καθώς η υπερβολική ντόπινγκ μπορεί να οδηγήσει στον σχηματισμό συστάδων ελαττωμάτων ή στην εισαγωγή ανεπιθύμητων ηλεκτρονικών καταστάσεων που μπορεί να μειώσουν την φωτοκαταλυτική δραστικότητα. Για παράδειγμα, εάν η συγκέντρωση ντόπινγκ ενός συγκεκριμένου μεταλλικού κατιόντος είναι υπερβολικά υψηλή, μπορεί να προκαλέσει την αύξηση του ανασυνδυασμού των ζευγών των οπών ηλεκτρονίων και όχι της μείωσης, αντισταθμίζοντας έτσι την επιδιωκόμενη επίδραση ενίσχυσης.
Μια άλλη αποτελεσματική στρατηγική για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του Tio₂ είναι να το συνδυάσετε με άλλα υλικά ημιαγωγών. Όταν συνδυάζονται δύο ημιαγωγοί με διαφορετικές ενέργειες bandgap, σχηματίζεται μια ετεροβολία στη διεπαφή τους. Αυτή η ετεροδιαλειτουργία μπορεί να διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στη διευκόλυνση του διαχωρισμού των ζευγών των οπών ηλεκτρονίων και στη βελτίωση της συνολικής φωτοκαταλυτικής αποτελεσματικότητας.
Ένας συνδυασμός που μελετήθηκε συνήθως είναι το Tio₂ με το ZnO. Το ZnO είναι ένας άλλος ημιαγωγός με σχετικά στενή ζώνη Bandgap (περίπου 3,37 eV για Wurtzite ZnO). Όταν οι Tio₂ και ZnO συνδέονται, η διαφορά στις ενέργειες Bandgap τους οδηγεί στο σχηματισμό μιας ετεροβόλησης τύπου II. Σε αυτή την ετεροβόληση, η ζώνη αγωγιμότητας του ZnO είναι σε υψηλότερο επίπεδο ενέργειας από αυτό του Tio₂, ενώ η ζώνη σθένους του ZnO βρίσκεται σε χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας από αυτό του Tio₂. Ως αποτέλεσμα, όταν το φως απορροφάται είτε από ημιαγωγούς, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας του ZnO τείνουν να μεταναστεύσουν στη ζώνη αγωγιμότητας του Tio₂ και οι τρύπες στη ζώνη σθένους του Tio₂ τείνουν να μεταναστεύουν στη ζώνη σθένους του ZnO. Αυτή η κατευθυντική μετανάστευση των ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών τους χωρίζει αποτελεσματικά, μειώνοντας τον ρυθμό ανασυνδυασμού και ενισχύοντας τη φωτοκαταλυτική δράση.
Οι πειραματικές μελέτες έχουν δείξει την αποτελεσματικότητα αυτής της προσέγγισης σύζευξης. Για παράδειγμα, σε μια μελέτη σχετικά με την αποικοδόμηση της χρωστικής ροδαμίνης Β, το σύνθετο Tio₂-Zno έδειξε πολύ υψηλότερο ρυθμό αποικοδόμησης από το καθαρό Tio₂ ή το ZnO μόνο. Ο ρυθμός αποικοδόμησης του σύνθετου υλικού ήταν περίπου 60% υψηλότερος από αυτόν του καθαρού Tio₂ υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες. Αυτή η σημαντική βελτίωση αποδόθηκε στον αποτελεσματικό διαχωρισμό των ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών στη διεπαφή ετεροδιαστυσμού.
Ένας άλλος δημοφιλής συνδυασμός σύζευξης είναι το Tio₂ με CD. Το CDS έχει σχετικά μικρό bandgap (περίπου 2,4 eV), πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να απορροφήσει ένα ευρύτερο εύρος του ηλιακού φάσματος, συμπεριλαμβανομένου του ορατού φωτός. Όταν το Tio₂ και τα CDs συζευγνύονται, σχηματίζεται επίσης μια ετεροβιδία τύπου II. Τα ηλεκτρόνια που διεγείρονται στη ζώνη αγωγιμότητας των CDs μπορούν να μεταφερθούν στη ζώνη αγωγιμότητας του Tio₂ και οι τρύπες στη ζώνη σθένους του Tio₂ μπορούν να μεταφερθούν στη ζώνη σθένους των CD. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι το CDS είναι ένα τοξικό υλικό, οπότε πρέπει να ληφθεί ιδιαίτερη προσοχή όταν χρησιμοποιείται σύνθετα CDS-Tio₂ σε εφαρμογές όπου η τοξικότητα αποτελεί ανησυχία, όπως ο καθαρισμός του νερού για πόσιμο νερό.
Η τροποποίηση της επιφάνειας είναι μια σημαντική προσέγγιση για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του Tio₂. Με την τροποποίηση της επιφάνειας του Tio₂, μπορούμε να βελτιώσουμε την ικανότητα προσρόφησης για τους ρύπους, να προωθήσουμε τον διαχωρισμό των ζευγών των οπών ηλεκτρονίων και να αυξήσουμε την αποτελεσματικότητα της χρήσης της φωτεινής ενέργειας.
Μία κοινή μέθοδος τροποποίησης της επιφάνειας είναι η εναπόθεση των ευγενών μετάλλων στην επιφάνεια Tio₂. Τα ευγενή μέταλλα όπως η πλατίνα (PT), ο χρυσός (AU) και το ασήμι (AG) έχουν μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες που μπορούν να αλληλεπιδρούν με το Tio₂. Όταν μια μικρή ποσότητα νανοσωματιδίων ευγενών μετάλλων εναποτίθεται στην επιφάνεια Tio₂, μπορούν να δράσουν ως παγίδες ηλεκτρονίων. Για παράδειγμα, όταν τα νανοσωματίδια Pt κατατίθενται στο TiO₂, τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας του Tio₂ προσελκύονται από τα νανοσωματίδια Pt, τα οποία διαχωρίζουν αποτελεσματικά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Αυτός ο διαχωρισμός μειώνει τον ρυθμό ανασυνδυασμού και ενισχύει τη φωτοκαταλυτική δράση. Σε μια μελέτη σχετικά με την αποικοδόμηση της φαινόλης, η Tio₂ που είχε κατακερματιστεί από PT έδειξε σημαντικά υψηλότερο ρυθμό αποικοδόμησης από την καθαρή Tio₂. Ο ρυθμός υποβάθμισης αυξήθηκε κατά περίπου 50% υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες.
Μια άλλη τεχνική τροποποίησης της επιφάνειας είναι η λειτουργικοποίηση της επιφάνειας Tio₂ με οργανικά μόρια. Οι οργανικές λειτουργικές ομάδες μπορούν να συνδεθούν στην επιφάνεια Tio₂ μέσω διαφόρων χημικών αντιδράσεων. Αυτές οι λειτουργικές ομάδες μπορούν να αλλάξουν τις επιφανειακές ιδιότητες του Tio₂, όπως η υδροφοβικότητα ή η υδροφιλικότητα του. Για παράδειγμα, εάν μια υδρόφιλη λειτουργική ομάδα είναι συνδεδεμένη στην επιφάνεια Tio₂, μπορεί να βελτιώσει την προσρόφηση των υδατοδιαλυτών ρύπων. Επιπλέον, ορισμένες οργανικές λειτουργικές ομάδες μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως δωρητές ή αποδέκτες ηλεκτρονίων, διευκολύνοντας περαιτέρω τη φωτοκαταλυτική διαδικασία. Μια ερευνητική ομάδα ανέφερε ότι με τη λειτουργία της επιφάνειας Tio₂ με ένα συγκεκριμένο οργανικό μόριο, η φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση ενός οργανικού ρύπου στα λύματα ενισχύθηκε κατά περίπου 30% σε σύγκριση με το μη τροποποιημένο Tio₂.
Η υφή της επιφάνειας είναι επίσης μια βιώσιμη μέθοδος τροποποίησης επιφάνειας. Με τη δημιουργία υφών μικρο-ή νανο-κλίμακας στην επιφάνεια Tio₂, μπορούμε να αυξήσουμε την επιφάνεια που διατίθεται για απορρόφηση φωτός και προσρόφηση ρύπων. Για παράδειγμα, κατασκευάζοντας νανο-πορώδεις επιφάνειες Tio₂, η επιφάνεια μπορεί να αυξηθεί σημαντικά. Αυτή η αυξημένη επιφάνεια επιτρέπει την αποτελεσματικότερη απορρόφηση φωτός και την προσρόφηση ρύπων, ενισχύοντας έτσι τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα. Σε μια μελέτη για τον καθαρισμό του αέρα, το νανο-πορώδες Tio₂ έδειξε μεγαλύτερη απόδοση στην απομάκρυνση των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOC) από τις ομαλές επιφάνειες Tio₂ λόγω της αυξημένης επιφάνειας και της βελτιωμένης απορρόφησης φωτός.
Η νανοσωματιδία, τα νανοσωματίδια, τα νανοσωλήνες και τα νανοσωματιδίων έχουν αποδειχθεί ότι έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη φωτοκαταλυτική δραστικότητα του. Οι νανοδομές προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των ομολόγων τους.
Πρώτον, οι νανοδομές έχουν συνήθως πολύ μεγαλύτερη αναλογία επιφάνειας προς όγκο. Για παράδειγμα, τα νανοσωματίδια Tio₂ με διάμετρο 10 nm μπορούν να έχουν αναλογία επιφάνειας προς όγκο που είναι αρκετές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερης από εκείνη του χύδην Tio₂. Αυτή η αυξημένη επιφάνεια παρέχει περισσότερες θέσεις για απορρόφηση φωτός, προσρόφηση ρύπων και δημιουργία ζεύγους ηλεκτρονίων-οπών. Σε μια μελέτη σχετικά με την υποβάθμιση των οργανικών βαφών, τα νανοσωματίδια Tio₂ έδειξαν πολύ ταχύτερο ρυθμό αποικοδόμησης από ό, τι ο όγκος. Ο ρυθμός αποικοδόμησης των νανοσωματιδίων ήταν περίπου 80% υψηλότερος από αυτόν του χύδην υλικού υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες.
Δεύτερον, οι νανοδομές μπορούν να έχουν μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, οι νανοσωλήνες Tio₂ μπορούν να παρουσιάσουν βελτιωμένο διαχωρισμό φορτίου λόγω της μονοδιάστατης δομής τους. Το σωληνοειδές σχήμα επιτρέπει την αποτελεσματική μεταφορά ηλεκτρονίων κατά μήκος του άξονα του σωλήνα, μειώνοντας τον ρυθμό ανασυνδυασμού των ζεύγους ηλεκτρονίων. Σε μια μελέτη για τον καθαρισμό του νερού, οι νανοσωλήνες Tio₂ έδειξαν μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα στην υποβάθμιση των οργανικών ρύπων από τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂. Η ενισχυμένη απόδοση αποδόθηκε στον βελτιωμένο διαχωρισμό και μεταφορά φορτίου εντός των νανοσωλήνων.
Τέλος, οι νανοδομές μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε διάφορες συσκευές και συστήματα. Για παράδειγμα, τα nanowires Tio₂ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ευέλικτων φωτοκαταλυτικών συσκευών. Αυτές οι ευέλικτες συσκευές μπορούν να εφαρμοστούν σε περιοχές όπως η τεχνολογία που φοριέται για τον καθαρισμό του αέρα και του νερού. Σε μια πρωτότυπη ανάπτυξη, μια ευέλικτη φωτοκαταλυτική συσκευή με βάση το νανοσωματιδίου ήταν σε θέση να υποβαθμίσει αποτελεσματικά τους οργανικούς ρύπους σε ένα προσομοιωμένο φορητό περιβάλλον, αποδεικνύοντας το δυναμικό της νανοδομής για πρακτικές εφαρμογές.
Εκτός από την τροποποίηση του ίδιου του υλικού Tio₂, η βελτιστοποίηση των συνθηκών αντίδρασης μπορεί επίσης να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του.
Μια σημαντική πτυχή είναι ο έλεγχος της έντασης του φωτός και του μήκους κύματος. Διαφορετικές εφαρμογές ενδέχεται να απαιτούν διαφορετικές εντάσεις φωτός και μήκη κύματος για βέλτιστη φωτοκαταλυτική απόδοση. Για παράδειγμα, σε εφαρμογές καθαρισμού νερού, μπορεί να απαιτείται μια ορισμένη ένταση υπεριώδους φωτός για την αποτελεσματική αποικοδόμηση οργανικών ρύπων. Ωστόσο, εάν η ένταση του φωτός είναι πολύ υψηλή, μπορεί να προκαλέσει υπερβολική θέρμανση του υλικού Tio₂, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας. Από την άλλη πλευρά, εάν η ένταση του φωτός είναι πολύ χαμηλή, ο ρυθμός παραγωγής ζεύγους ηλεκτρών-οπών μπορεί να είναι ανεπαρκής. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να προσαρμόσετε προσεκτικά την ένταση του φωτός σύμφωνα με τις συγκεκριμένες απαιτήσεις εφαρμογής.
Η επιλογή του διαλύτη ή του μέσου επηρεάζει επίσης τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η χρήση πολικού διαλύτη, όπως το νερό, μπορεί να ενισχύσει την προσρόφηση πολικών ρύπων στην επιφάνεια Tio₂ και να διευκολύνει τη φωτοκαταλυτική διαδικασία. Ωστόσο, για τους μη πολικούς ρύπους, ένας μη πολικός διαλύτης μπορεί να είναι πιο κατάλληλος. Για παράδειγμα, στην αποικοδόμηση των μη πολικών οργανικών ενώσεων σε ένα ρεύμα λιπαρών αποβλήτων, χρησιμοποιώντας μη πολικό διαλύτη όπως εξάνιο μπορεί να βελτιώσει την αλληλεπίδραση μεταξύ των ρύπων και της επιφάνειας Tio₂, οδηγώντας σε μια πιο αποτελεσματική διαδικασία αποικοδόμησης.
Η θερμοκρασία είναι ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη. Γενικά, η αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να επιταχύνει τον ρυθμό των χημικών αντιδράσεων. Στο πλαίσιο της φωτοκαταστροφής Tio₂, η μέτρια αύξηση της θερμοκρασίας μπορεί να ενισχύσει την κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών, μειώνοντας τον ρυθμό ανασυνδυασμού και αυξάνοντας την φωτοκαταλυτική δραστικότητα. Ωστόσο, εάν η θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή, μπορεί να προκαλέσει την εκρόφηση των προσροφημένων ρύπων από την επιφάνεια Tio₂ ή ακόμη και να βλάψει το ίδιο το υλικό Tio₂. Επομένως, η εύρεση της βέλτιστης περιοχής θερμοκρασίας για μια συγκεκριμένη εφαρμογή είναι απαραίτητη.
Αντί να βασιζόμαστε σε μία μέθοδο για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του Tio₂, οι συνδυαστικές προσεγγίσεις που συνδυάζουν πολλαπλές στρατηγικές μπορούν συχνά να επιτύχουν μια συνεργιστική επίδραση ενίσχυσης.
Για παράδειγμα, ένας συνδυασμός ντόπινγκ και τροποποίησης επιφάνειας μπορεί να είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός. Με το doping tio₂ με κατάλληλο μεταλλικό κατιόν, όπως το Fe3 ⁺ και στη συνέχεια η εναπόθεση νανοσωματιδίων ευγενών μετάλλων όπως η PT στην επιφάνεια Tio₂, και οι δύο ηλεκτρονικές ιδιότητες του Tio₂ μπορούν να μεταβληθούν για να βελτιωθεί η απορρόφηση φωτός και ο διαχωρισμός των ζεύγους ηλεκτρο-οπών μπορεί να ενισχυθεί περαιτέρω από τα ευγενή μεταλλικά νανοσωματίδια. Σε μια μελέτη σχετικά με την υποβάθμιση ενός σύνθετου οργανικού ρύπου, αυτή η συνδυαστική προσέγγιση είχε ως αποτέλεσμα ένα ποσοστό υποβάθμισης που ήταν περισσότερο από διπλάσιο από το καθαρό Tio₂ υπό τις ίδιες πειραματικές συνθήκες.
Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο συνδυασμός νανοδομής και σύζευξης με άλλους ημιαγωγούς. Εάν οι νανοσωλήνες Tio₂ κατασκευάζονται πρώτα και στη συνέχεια σε συνδυασμό με το ZnO για να σχηματίσουν μια ετεροεξ σταθμία, οι μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων μπορούν να συνδυαστούν με τις ευεργετικές επιδράσεις της ετεροβόλης. Οι νανοσωλήνες παρέχουν μια μεγάλη επιφάνεια και τον αποτελεσματικό διαχωρισμό φορτίου, ενώ η ετεροβολική διαχωρισμό διαχωρίζει περαιτέρω τα ζεύγη ηλεκτρονίων και βελτιώνει τη συνολική φωτοκαταλυτική απόδοση. Σε μια μελέτη σχετικά με τον καθαρισμό του αέρα, αυτή η συνδυασμένη προσέγγιση έδειξε σημαντική βελτίωση στην απομάκρυνση των πτητικών οργανικών ενώσεων σε σύγκριση με τη χρήση είτε νανοσωλήνων είτε σε ετεροεξοδική Zno-Tio₂.
Οι συνδυαστικές προσεγγίσεις προσφέρουν επίσης το πλεονέκτημα ότι είναι σε θέση να αντιμετωπίσουν ταυτόχρονα πολλαπλούς περιορισμούς της φωτοκαταταλλίας Tio₂. Για παράδειγμα, το ντόπινγκ μπορεί να αντιμετωπίσει το ζήτημα της περιορισμένης απορρόφησης φωτός, η τροποποίηση της επιφάνειας μπορεί να βελτιώσει την προσρόφηση των ρύπων και η σύζευξη με άλλους ημιαγωγούς μπορεί να ενισχύσει τον διαχωρισμό των ζεύγους ηλεκτρονίων. Συνδυάζοντας αυτές τις στρατηγικές, μπορεί να επιτευχθεί μια πιο ολοκληρωμένη και αποτελεσματική ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του Tio₂.
Ενώ έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του Tio₂, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν.
Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις είναι η σταθερότητα των ενισχυμένων φωτοκαταλυτικών συστημάτων. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του doped tio₂, με την πάροδο του χρόνου, τα άτομα του ντόπιου μπορεί να διαχέονται από τη δομή του πλέγματος, οδηγώντας σε μείωση της ενισχυμένης φωτοκαταλυτικής δραστικότητας. Ομοίως, σε σύνθετα υλικά που σχηματίζονται με σύζευξη με άλλους ημιαγωγούς, η διεπαφή μεταξύ των δύο ημιαγωγών μπορεί να υποβαθμιστεί με την πάροδο του χρόνου, επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητα της ετεροβόλησης. Η διατήρηση της μακροπρόθεσμης σταθερότητας αυτών των ενισχυμένων συστημάτων είναι ζωτικής σημασίας για τις πρακτικές εφαρμογές τους.
Μια άλλη πρόκληση είναι η κλιμάκωση των ενισχυμένων φωτοκαταλυτικών διεργασιών. Οι περισσότερες από τις μελέτες που αναφέρθηκαν μέχρι στιγμής έχουν πραγματοποιηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα. Όταν πρόκειται για εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας, πρέπει να αντιμετωπιστούν ζητήματα όπως το ομοιόμορφο ντόπινγκ, η παραγωγή νανοδομών μεγάλης κλίμακας και η αποτελεσματική τροποποίηση της επιφάνειας σε μεγάλη κλίμακα. Για παράδειγμα, στην παραγωγή νανοσωματιδίων Tio₂ για καθαρισμό νερού σε βιομηχανική κλίμακα, εξασφαλίζοντας το ομοιόμορφο μέγεθος σωματιδίων και τη συνεπή φωτοκαταλυτική
