हम टाइटेनियम डाइऑक्साइड की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को कैसे बढ़ा सकते हैं?

हम टाइटेनियम डाइऑक्साइड की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को कैसे बढ़ा सकते हैं?

टाइटेनियम डाइऑक्साइड (Tio₂) रासायनिक स्थिरता, गैर-विषाक्तता और अपेक्षाकृत कम लागत जैसे उल्लेखनीय गुणों के कारण फोटोकैटलिसिस के क्षेत्र में एक अत्यधिक आशाजनक सामग्री के रूप में उभरा है। Photocatalysis, जिस प्रक्रिया से प्रकाश ऊर्जा का उपयोग Tio₂ जैसे फोटोकैटलिस्ट की सहायता से रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए किया जाता है, में पानी की शोधन, वायु शोधन और स्व-सफाई सतहों सहित कई अनुप्रयोग हैं। हालांकि, Tio₂ की देशी फोटोकैटलिटिक गतिविधि को अक्सर विभिन्न व्यावहारिक अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए बढ़ाया जाना चाहिए। इस व्यापक अध्ययन में, हम विभिन्न रणनीतियों और तंत्रों में गहराई से जुड़ेंगे, जिन्हें Tio₂ की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ावा देने के लिए नियोजित किया जा सकता है।

1। tio₂ photocatalysis की मूल बातें समझना

वृद्धि के तरीकों की खोज करने से पहले, Tio₂ photocatalysis के मौलिक सिद्धांतों की ठोस समझ होना महत्वपूर्ण है। Tio₂ एक विशेषता बैंडगैप के साथ एक अर्धचालक सामग्री है। जब Tio₂ की बैंडगैप ऊर्जा के बराबर या उससे अधिक ऊर्जा के साथ फोटॉन (Anatase Tio₂ के लिए, बैंडगैप लगभग 3.2 eV है) सामग्री की सतह पर हमला करता है, वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉनों को चालन बैंड के लिए उत्साहित किया जाता है, जो वैलेंस बैंड में छेद को पीछे छोड़ देता है। ये इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े फोटोकैटलिटिक प्रक्रिया में प्रमुख खिलाड़ी हैं।

चालन बैंड में उत्साहित इलेक्ट्रॉन इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ताओं के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं जैसे कि ऑक्सीजन अणुओं को टियो की सतह पर adsorbed, उन्हें सुपरऑक्साइड कट्टरपंथी (O₂⁻ •) में कम कर दिया जाता है। इस बीच, वैलेंस बैंड में छेद सतह पर मौजूद पानी या कार्बनिक प्रदूषकों जैसे इलेक्ट्रॉन दाताओं को ऑक्सीकरण कर सकते हैं, जिससे हाइड्रॉक्सिल रेडिकल (ओएच •) उत्पन्न होता है। ये अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कट्टरपंथी ऑक्सीकरण और कमी प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से कार्बनिक दूषित पदार्थों को छोटे, कम हानिकारक अणुओं में तोड़ने में सक्षम हैं। उदाहरण के लिए, जल शोधन के मामले में, इन कट्टरपंथियों की कार्रवाई से रंग या कीटनाशकों जैसे कार्बनिक प्रदूषकों को प्रभावी ढंग से नीचा दिखाया जा सकता है।

हालांकि, कई कारक इस प्राकृतिक फोटोकैटलिटिक प्रक्रिया की दक्षता को सीमित कर सकते हैं। एक प्रमुख सीमा इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े का तेजी से पुनर्संयोजन है, इससे पहले कि वे वांछित रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में भाग ले सकें। इसके अतिरिक्त, प्रदूषकों के लिए Tio₂ की सोखना क्षमता और प्रकाश ऊर्जा की उपयोग दक्षता भी समग्र फोटोकैटलिटिक गतिविधि का निर्धारण करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। इन सीमाओं को समझना Tio₂ के फोटोकैटलिटिक प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए रणनीतियों की खोज के लिए एक नींव प्रदान करता है।

2। डोपिंग: फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने के लिए एक प्रमुख दृष्टिकोण

DOPING Tio₂ की फोटोकैटलिटिक गतिविधि में सुधार के लिए एक व्यापक रूप से अध्ययन किया गया तरीका है। इसमें Tio₂ जाली संरचना में विदेशी परमाणुओं की शुरूआत शामिल है। ये डोपेंट परमाणु Tio₂ के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को बदल सकते हैं, जिससे इसके फोटोकैटलिटिक व्यवहार को प्रभावित किया जा सकता है।

डोपिंग के दो मुख्य प्रकार हैं: cationic डोपिंग और Anionic डोपिंग। Cationic डोपिंग में आमतौर पर टाइटेनियम (TI) परमाणुओं का प्रतिस्थापन होता है, जो कि संक्रमण धातुओं (जैसे, Fe, Cu, MN) जैसे धातु के उद्धरणों के साथ tio₂ जाली में परमाणुओं को शामिल करता है। उदाहरण के लिए, जब Fe, ⁺ आयनों को tio₂ में डोप किया जाता है, तो वे Tio₂ के बैंडगैप के भीतर अतिरिक्त ऊर्जा स्तरों को पेश कर सकते हैं। यह प्रभावी बैंडगैप की कमी के परिणामस्वरूप हो सकता है, जिससे टियो को अपने मूल बैंडगैप की तुलना में कम ऊर्जा के साथ प्रकाश को अवशोषित करने की अनुमति मिलती है। नतीजतन, सौर स्पेक्ट्रम की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग फोटोकैटलिसिस के लिए किया जा सकता है। [शोधकर्ता नाम] के एक अध्ययन में, यह पाया गया कि Fe-doped tio₂ ने शुद्ध Tio₂ की तुलना में दृश्यमान प्रकाश विकिरण के तहत मेथिलीन ब्लू डाई के फोटोकैटलिटिक गिरावट का प्रदर्शन किया। एक ही प्रयोगात्मक परिस्थितियों में गिरावट की दर में लगभग 40% की वृद्धि हुई थी।

दूसरी ओर, एओनिक डोपिंग में आमतौर पर टियो जाली में ऑक्सीजन (ओ) परमाणुओं का प्रतिस्थापन शामिल होता है। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन (एन) के साथ डोपिंग की बड़े पैमाने पर जांच की गई है। नाइट्रोजन डोपिंग Tio, के बैंडगैप के भीतर मिड-गैप स्टेट्स बना सकता है, जिससे प्रभावी बैंडगैप में कमी और दृश्यमान प्रकाश अवशोषण में वृद्धि हो सकती है। एक शोध समूह ने बताया कि एन-डॉप्ड टीओओ, अपशिष्ट जल में कार्बनिक प्रदूषकों को अपशिष्ट जल में अधिक प्रभावी ढंग से दिखाने में सक्षम था, जो दृश्य प्रकाश के तहत अनियंत्रित tio₂ की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से था। बढ़ी हुई गिरावट को मध्य-गैप राज्यों की उपस्थिति के कारण बेहतर प्रकाश अवशोषण और इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के बढ़े हुए पृथक्करण के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था।

हालांकि, डोपिंग की अपनी चुनौतियां भी हैं। इष्टतम डोपिंग एकाग्रता को सावधानीपूर्वक निर्धारित करने की आवश्यकता है क्योंकि अत्यधिक डोपिंग से दोष समूहों का गठन या अवांछित इलेक्ट्रॉनिक राज्यों की शुरूआत हो सकती है जो वास्तव में फोटोकैटलिटिक गतिविधि को कम कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, यदि एक निश्चित धातु कटियन की डोपिंग एकाग्रता बहुत अधिक है, तो यह इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के पुनर्संयोजन को कम करने के बजाय बढ़ने का कारण बन सकता है, जिससे इच्छित वृद्धि प्रभाव का प्रतिकार किया जा सकता है।

3। अन्य अर्धचालकों के साथ युग्मन

Tio₂ की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने के लिए एक और प्रभावी रणनीति यह है कि इसे अन्य अर्धचालक सामग्री के साथ जोड़ा जाए। जब अलग -अलग बैंडगैप ऊर्जा वाले दो अर्धचालक संयुक्त होते हैं, तो उनके इंटरफ़ेस में एक हेटेरोजंक्शन बनता है। यह हेटेरोजंक्शन इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के पृथक्करण को सुविधाजनक बनाने और समग्र फोटोकैटलिटिक दक्षता में सुधार करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।

आमतौर पर अध्ययन किया गया संयोजन ZnO के साथ tio₂ है। ZnO अपेक्षाकृत संकीर्ण बैंडगैप (Wurtzite ZnO के लिए लगभग 3.37 eV) के साथ एक और अर्धचालक है। जब Tio₂ और ZnO को युग्मित किया जाता है, तो उनके बैंडगैप ऊर्जा में अंतर एक टाइप- II हेटेरोजंक्शन के गठन की ओर जाता है। इस हेटेरोजंक्शन में, ZnO का चालन बैंड Tio₂ की तुलना में उच्च ऊर्जा स्तर पर है, जबकि ZnO का वैलेंस बैंड Tio₂ की तुलना में कम ऊर्जा स्तर पर है। नतीजतन, जब प्रकाश को या तो अर्धचालक द्वारा अवशोषित किया जाता है, तो ZnO के चालन बैंड में उत्साहित इलेक्ट्रॉनों को Tio₂ के चालन बैंड में पलायन करने की प्रवृत्ति होती है, और Tio₂ के वैलेंस बैंड में छेद ZnO के वैलेंस बैंड में माइग्रेट करते हैं। इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े का यह दिशात्मक प्रवास प्रभावी रूप से उन्हें अलग करता है, पुनर्संयोजन दर को कम करता है और फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाता है।

प्रायोगिक अध्ययनों ने इस युग्मन दृष्टिकोण की प्रभावशीलता का प्रदर्शन किया है। उदाहरण के लिए, रोडामाइन बी डाई के क्षरण पर एक अध्ययन में, टियो-ज़ोनो कम्पोजिट ने अकेले शुद्ध टियो या ZnO की तुलना में बहुत अधिक गिरावट दर दिखाई। समग्र की गिरावट की दर समान प्रयोगात्मक स्थितियों के तहत शुद्ध tio₂ की तुलना में लगभग 60% अधिक थी। इस महत्वपूर्ण सुधार को हेटेरोजंक्शन इंटरफ़ेस में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के कुशल पृथक्करण के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था।

एक और लोकप्रिय युग्मन संयोजन सीडी के साथ tio₂ है। सीडीएस में एक अपेक्षाकृत छोटा बैंडगैप (लगभग 2.4 ईवी) है, जिसका अर्थ है कि यह दृश्य प्रकाश सहित सौर स्पेक्ट्रम की एक विस्तृत श्रृंखला को अवशोषित कर सकता है। जब Tio₂ और CDs को युग्मित किया जाता है, तो एक टाइप- II हेटेरोजंक्शन भी बनता है। सीडीएस के चालन बैंड में उत्साहित इलेक्ट्रॉन Tio, के चालन बैंड में स्थानांतरित हो सकते हैं, और Tio₂ के वैलेंस बैंड में छेद सीडी के वैलेंस बैंड में स्थानांतरित कर सकते हैं। हालांकि, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सीडी एक विषाक्त सामग्री है, इसलिए उन अनुप्रयोगों में सीडीएस-टीआईओओ कंपोजिट का उपयोग करते समय विशेष देखभाल की जानी चाहिए जहां विषाक्तता एक चिंता का विषय है, जैसे कि पीने के पानी के लिए जल शोधन में।

4। सतह संशोधन: बढ़ी हुई गतिविधि के लिए tio₂ सतह को सिलाई करना

सतह संशोधन Tio₂ की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण दृष्टिकोण है। Tio₂ की सतह को संशोधित करके, हम प्रदूषकों के लिए इसकी सोखना क्षमता में सुधार कर सकते हैं, इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के पृथक्करण को बढ़ावा दे सकते हैं, और प्रकाश ऊर्जा की उपयोग दक्षता बढ़ा सकते हैं।

एक सामान्य सतह संशोधन विधि tio₂ सतह पर महान धातुओं का जमाव है। प्लैटिनम (पीटी), गोल्ड (एयू), और सिल्वर (एजी) जैसी नोबल मेटल्स में अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुण होते हैं जो कि टियो के साथ बातचीत कर सकते हैं। जब महान धातु नैनोकणों की एक छोटी मात्रा tio, सतह पर जमा की जाती है, तो वे इलेक्ट्रॉन जाल के रूप में कार्य कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब पीटी नैनोकणों को Tio₂ पर जमा किया जाता है, तो Tio₂ के चालन बैंड में उत्साहित इलेक्ट्रॉनों को Pt नैनोकणों के लिए आकर्षित किया जाता है, जो प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े को अलग करता है। यह पृथक्करण पुनर्संयोजन दर को कम करता है और फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाता है। फिनोल के क्षरण पर एक अध्ययन में, पीटी-डीपोसिटेड टीओओ ने शुद्ध टियो की तुलना में काफी अधिक गिरावट दर दिखाई। एक ही प्रयोगात्मक परिस्थितियों में गिरावट की दर में लगभग 50% की वृद्धि हुई थी।

एक अन्य सतह संशोधन तकनीक कार्बनिक अणुओं के साथ Tio₂ सतह का कार्यात्मककरण है। कार्बनिक कार्यात्मक समूहों को विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से Tio₂ सतह से जोड़ा जा सकता है। ये कार्यात्मक समूह Tio, की सतह के गुणों को बदल सकते हैं, जैसे कि इसकी हाइड्रोफोबिसिटी या हाइड्रोफिलिसिटी। उदाहरण के लिए, यदि एक हाइड्रोफिलिक कार्यात्मक समूह Tio, सतह से जुड़ा हुआ है, तो यह पानी में घुलनशील प्रदूषकों के सोखने में सुधार कर सकता है। इसके अलावा, कुछ कार्बनिक कार्यात्मक समूह इलेक्ट्रॉन दाताओं या स्वीकारकर्ताओं के रूप में भी कार्य कर सकते हैं, आगे फोटोकैटलिटिक प्रक्रिया को सुविधाजनक बना सकते हैं। एक शोध टीम ने बताया कि एक विशिष्ट कार्बनिक अणु के साथ Tio₂ सतह को कार्यात्मक करके, अपशिष्ट जल में एक कार्बनिक प्रदूषक के फोटोकैटलिटिक गिरावट को अनमॉडिफाइड Tio₂ की तुलना में लगभग 30% बढ़ाया गया था।

सतह बनावट भी एक व्यवहार्य सतह संशोधन विधि है। Tio, सतह पर माइक्रो- या नैनो-स्केल बनावट बनाकर, हम प्रकाश अवशोषण और प्रदूषक सोखना के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को बढ़ा सकते हैं। उदाहरण के लिए, नैनो-पोरस टियो सतहों को गढ़कर, सतह क्षेत्र को काफी बढ़ाया जा सकता है। यह बढ़ा हुआ सतह क्षेत्र अधिक कुशल प्रकाश अवशोषण और प्रदूषक सोखना के लिए अनुमति देता है, जिससे फोटोकैटलिटिक गतिविधि बढ़ जाती है। वायु शोधन पर एक अध्ययन में, नैनो-पोरस टियो, ने सतह पर बढ़े हुए सतह क्षेत्र और बेहतर प्रकाश अवशोषण के कारण चिकनी tio₂ सतहों की तुलना में वाष्पशील कार्बनिक यौगिकों (VOC) को हटाने में एक उच्च दक्षता दिखाई।

5। नैनोस्ट्रक्चरिंग: फोटोकैटलिटिक गतिविधि पर प्रभाव

नैनोकणों, नैनोकणों, नैनोट्यूब और नैनोवायरों जैसे विभिन्न आकारिकी में नैनोस्ट्रक्चरिंग को इसकी फोटोकैटलिटिक गतिविधि पर महत्वपूर्ण प्रभाव दिखाया गया है। नैनोस्ट्रक्चर अपने थोक समकक्षों पर कई फायदे प्रदान करते हैं।

सबसे पहले, नैनोस्ट्रक्चर में आमतौर पर वॉल्यूम अनुपात के लिए बहुत बड़ा सतह क्षेत्र होता है। उदाहरण के लिए, 10 एनएम के व्यास वाले Tio₂ नैनोकणों में वॉल्यूम अनुपात के लिए एक सतह क्षेत्र हो सकता है जो कि थोक tio₂ की तुलना में बड़े परिमाण के कई आदेश हैं। यह बढ़ा हुआ सतह क्षेत्र प्रकाश अवशोषण, प्रदूषक सोखना और इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े की पीढ़ी के लिए अधिक साइटें प्रदान करता है। कार्बनिक रंगों के क्षरण पर एक अध्ययन में, टियो नैनोपार्टिकल्स ने थोक टियो की तुलना में बहुत तेज गिरावट दर दिखाई। नैनोकणों की गिरावट दर समान प्रयोगात्मक स्थितियों के तहत थोक सामग्री की तुलना में लगभग 80% अधिक थी।

दूसरा, नैनोस्ट्रक्चर में अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुण हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, Tio₂ Nanotubes उनकी एक-आयामी संरचना के कारण बढ़ी हुई चार्ज पृथक्करण का प्रदर्शन कर सकते हैं। ट्यूबलर आकार ट्यूब अक्ष के साथ इलेक्ट्रॉनों के कुशल परिवहन के लिए अनुमति देता है, इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े के पुनर्संयोजन दर को कम करता है। जल शोधन पर एक अध्ययन में, Tio₂ Nanotubes ने गोलाकार tio₂ नैनोकणों की तुलना में कार्बनिक प्रदूषकों को अपमानित करने में एक उच्च दक्षता दिखाई। बढ़ी हुई दक्षता को नैनोट्यूब के भीतर बेहतर चार्ज पृथक्करण और परिवहन के लिए जिम्मेदार ठहराया गया था।

अंत में, नैनोस्ट्रक्चर को आसानी से विभिन्न उपकरणों और प्रणालियों में एकीकृत किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, लचीले फोटोकैटलिटिक उपकरणों को बनाने के लिए Tio₂ nanowires का उपयोग किया जा सकता है। इन लचीले उपकरणों को हवा और जल शोधन के लिए पहनने योग्य प्रौद्योगिकी जैसे क्षेत्रों में लागू किया जा सकता है। एक प्रोटोटाइप विकास में, एक लचीला Tio₂ nanowire- आधारित फोटोकैटलिटिक डिवाइस एक नकली पहनने योग्य वातावरण में कार्बनिक प्रदूषकों को प्रभावी ढंग से नीचा दिखाने में सक्षम था, व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए नैनोस्ट्रक्चरिंग की क्षमता का प्रदर्शन करता है।

6। प्रतिक्रिया की स्थिति का अनुकूलन

Tio₂ सामग्री को स्वयं संशोधित करने के अलावा, प्रतिक्रिया की स्थिति का अनुकूलन करना भी इसकी फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है।

एक महत्वपूर्ण पहलू प्रकाश तीव्रता और तरंग दैर्ध्य का नियंत्रण है। विभिन्न अनुप्रयोगों को इष्टतम फोटोकैटलिटिक प्रदर्शन के लिए अलग -अलग प्रकाश तीव्रता और तरंग दैर्ध्य की आवश्यकता हो सकती है। उदाहरण के लिए, जल शोधन अनुप्रयोगों में, कार्बनिक प्रदूषकों को प्रभावी ढंग से नीचा दिखाने के लिए पराबैंगनी प्रकाश की एक निश्चित तीव्रता की आवश्यकता हो सकती है। हालांकि, यदि प्रकाश की तीव्रता बहुत अधिक है, तो यह Tio, सामग्री के अत्यधिक ताप का कारण हो सकता है, जिससे फोटोकैटलिटिक गतिविधि में कमी हो सकती है। दूसरी ओर, यदि प्रकाश की तीव्रता बहुत कम है, तो इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े की पीढ़ी की दर अपर्याप्त हो सकती है। इसलिए, विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुसार प्रकाश की तीव्रता को सावधानीपूर्वक समायोजित करना आवश्यक है।

विलायक या माध्यम की पसंद भी फोटोकैटलिटिक गतिविधि को प्रभावित करती है। कुछ मामलों में, पानी जैसे ध्रुवीय विलायक का उपयोग करके पानी की सतह पर ध्रुवीय प्रदूषकों के सोखना को बढ़ा सकता है और फोटोकैटलिटिक प्रक्रिया को सुविधाजनक बना सकता है। हालांकि, गैर-ध्रुवीय प्रदूषकों के लिए, एक गैर-ध्रुवीय विलायक अधिक उपयुक्त हो सकता है। उदाहरण के लिए, एक तैलीय अपशिष्ट धारा में गैर-ध्रुवीय कार्बनिक यौगिकों के क्षरण में, हेक्सेन जैसे गैर-ध्रुवीय विलायक का उपयोग करने से प्रदूषकों और टियो सतह के बीच बातचीत में सुधार हो सकता है, जिससे अधिक कुशल गिरावट की प्रक्रिया हो सकती है।

तापमान एक और कारक है जिस पर विचार करने की आवश्यकता है। आम तौर पर, तापमान में वृद्धि रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर में तेजी ला सकती है। Tio₂ photocatalysis के संदर्भ में, तापमान में एक मध्यम वृद्धि इलेक्ट्रॉनों और छेदों की गतिशीलता को बढ़ा सकती है, पुनर्संयोजन दर को कम कर सकती है और फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ा सकती है। हालांकि, यदि तापमान बहुत अधिक है, तो यह tio₂ सतह से adsorbed प्रदूषकों के desorption का कारण हो सकता है या यहां तक ​​कि Tio₂ सामग्री को नुकसान पहुंचा सकता है। इसलिए, एक विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए इष्टतम तापमान सीमा खोजना आवश्यक है।

7। कॉम्बिनेटरियल दृष्टिकोण: फोटोकैटलिटिक गतिविधि का सहक्रियात्मक वृद्धि

Tio, की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने के लिए एक एकल विधि पर भरोसा करने के बजाय, कई रणनीतियों को संयोजित करने वाले कॉम्बिनेटरियल दृष्टिकोण अक्सर एक सहक्रियात्मक वृद्धि प्रभाव को प्राप्त कर सकते हैं।

उदाहरण के लिए, डोपिंग और सतह संशोधन का एक संयोजन अत्यधिक प्रभावी हो सकता है। एक उपयुक्त धातु कटियन जैसे कि Fe, के साथ tio₂ को डोपिंग करके और फिर डोपेड tio₂ सतह पर Pt जैसे महान धातु नैनोपार्टिकल्स को जमा करने के लिए, Tio₂ के दोनों इलेक्ट्रॉनिक गुणों को प्रकाश अवशोषण में सुधार करने के लिए बदल दिया जा सकता है और इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के पृथक्करण को कुलीन धातु नैनोपार्टिकल्स द्वारा बढ़ाया जा सकता है। एक जटिल कार्बनिक प्रदूषक के क्षरण पर एक अध्ययन में, इस कॉम्बिनेटरियल दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप एक गिरावट दर थी जो एक ही प्रयोगात्मक परिस्थितियों में शुद्ध tio₂ से दो बार से अधिक थी।

एक अन्य उदाहरण अन्य अर्धचालकों के साथ नैनोस्ट्रक्चरिंग और युग्मन का संयोजन है। यदि Tio₂ nanotubes को पहले गढ़े जाते हैं और फिर ZnO के साथ एक हेटेरोजंक्शन बनाने के लिए युग्मित किया जाता है, तो नैनोट्यूब के अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुणों को हेटेरोजंक्शन के लाभकारी प्रभावों के साथ जोड़ा जा सकता है। नैनोट्यूब एक बड़े सतह क्षेत्र और कुशल चार्ज पृथक्करण प्रदान करते हैं, जबकि हेटेरोजंक्शन इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े को अलग करता है और समग्र फोटोकैटलिटिक दक्षता में सुधार करता है। वायु शोधन पर एक अध्ययन में, इस संयुक्त दृष्टिकोण ने अकेले नैनोट्यूब या ZnO-Tio₂ हेटेरोजंक्शन का उपयोग करने की तुलना में VOCs को हटाने में एक महत्वपूर्ण सुधार दिखाया।

कॉम्बिनेटरियल दृष्टिकोण भी एक साथ tio₂ photocatalysis की कई सीमाओं को संबोधित करने में सक्षम होने का लाभ प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, डोपिंग सीमित प्रकाश अवशोषण के मुद्दे को संबोधित कर सकता है, सतह संशोधन प्रदूषकों के सोखना में सुधार कर सकता है, और अन्य अर्धचालक के साथ युग्मन इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े के पृथक्करण को बढ़ा सकता है। इन रणनीतियों को मिलाकर, Tio₂ की फोटोकैटलिटिक गतिविधि की एक अधिक व्यापक और प्रभावी वृद्धि प्राप्त की जा सकती है।

8। चुनौतियां और भविष्य के निर्देश

जबकि Tio, की फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाने में महत्वपूर्ण प्रगति हुई है, फिर भी कई चुनौतियां हैं जिन्हें संबोधित करने की आवश्यकता है।

प्रमुख चुनौतियों में से एक बढ़ाया फोटोकैटलिटिक सिस्टम की स्थिरता है। उदाहरण के लिए, समय के साथ डोपेड टियो के मामले में, डोपेंट परमाणु जाली संरचना से बाहर फैल सकते हैं, जिससे बढ़ी हुई फोटोकैटलिटिक गतिविधि में कमी हो सकती है। इसी तरह, अन्य अर्धचालकों के साथ युग्मन द्वारा गठित कंपोजिट में, दो अर्धचालकों के बीच इंटरफ़ेस समय के साथ नीचा हो सकता है, जिससे हेटेरोजंक्शन की दक्षता को प्रभावित किया जा सकता है। इन बढ़ी हुई प्रणालियों की दीर्घकालिक स्थिरता को बनाए रखना उनके व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है।

एक अन्य चुनौती बढ़ी हुई फोटोकैटलिटिक प्रक्रियाओं का पैमाना है। अब तक बताए गए अधिकांश अध्ययनों को प्रयोगशाला पैमाने पर किया गया है। जब यह औद्योगिक-पैमाने पर अनुप्रयोगों की बात आती है, तो समान डोपिंग, नैनोस्ट्रक्चर के बड़े पैमाने पर उत्पादन और बड़े पैमाने पर कुशल सतह संशोधन जैसे मुद्दों को संबोधित करने की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, एक औद्योगिक पैमाने पर पानी की शुद्धि के लिए Tio₂ नैनोकणों के उत्पादन में, समान कण आकार और सुसंगत फोटोकैटलिटिक सुनिश्चित करना