Weergaven: 0 Auteur: Site Editor Publiceren Tijd: 2025-01-30 Oorsprong: Site
Titaniumdioxide (Tio₂) is naar voren gekomen als een veelbelovend materiaal op het gebied van fotokatalyse vanwege de opmerkelijke eigenschappen zoals chemische stabiliteit, niet-toxiciteit en relatief lage kosten. Fotokatalyse, het proces waarbij lichte energie wordt gebruikt om chemische reacties aan te sturen met behulp van een fotokatalysator zoals TIO₂, heeft tal van toepassingen, waaronder waterzuivering, luchtzuivering en zelfreinigende oppervlakken. De native fotokatalytische activiteit van Tio₂ moet echter vaak worden verbeterd om te voldoen aan de vereisten van verschillende praktische toepassingen. In deze uitgebreide studie zullen we diep ingaan op de verschillende strategieën en mechanismen die kunnen worden gebruikt om de fotokatalytische activiteit van TIO₂ te stimuleren.
Voordat het verkennen van de verbeteringsmethoden, is het cruciaal om een goed begrip te hebben van de fundamentele principes van TIO₂ -fotokatalyse. Tio₂ is een halfgeleidermateriaal met een karakteristieke bandgap. Wanneer fotonen met energie gelijk zijn aan of groter dan de bandgap -energie van Tio₂ (voor anatase Tio₂, is de bandgap ongeveer 3,2 eV) het oppervlak van het materiaal slaan, zijn elektronen in de valentieband enthousiast over de geleidingsband, waardoor gaten achterblijven in de valentieband. Deze elektronengatparen zijn de belangrijkste spelers in het fotokatalytische proces.
De geëxciteerde elektronen in de geleidingsband kunnen reageren met elektronenacceptoren zoals zuurstofmoleculen geadsorbeerd op het TIO₂ -oppervlak, waardoor ze worden gereduceerd tot superoxide -radicalen (o₂⁻ •). Ondertussen kunnen de gaten in de valentieband elektronendonoren zoals water of organische verontreinigende stoffen op het oppervlak oxideren, waardoor hydroxylradicalen worden gegenereerd (OH •). Deze zeer reactieve radicalen zijn in staat om organische verontreinigingen af te breken in kleinere, minder schadelijke moleculen door een reeks oxidatie- en reductiereacties. In het geval van waterzuivering kunnen organische verontreinigende stoffen zoals kleurstoffen of pesticiden bijvoorbeeld effectief worden afgebroken door de werking van deze radicalen.
Verschillende factoren kunnen echter de efficiëntie van dit natuurlijke fotokatalytische proces beperken. Een belangrijke beperking is de snelle recombinatie van elektronengatparen voordat ze kunnen deelnemen aan de gewenste redoxreacties. Bovendien speelt de adsorptiecapaciteit van TIO₂ voor verontreinigende stoffen en de gebruiksefficiëntie van lichte energie ook een belangrijke rol bij het bepalen van de algehele fotokatalytische activiteit. Inzicht in deze beperkingen biedt een basis voor het verkennen van strategieën om de fotokatalytische prestaties van TIO₂ te verbeteren.
Doping is een wijd bestudeerde methode voor het verbeteren van de fotokatalytische activiteit van TiO₂. Het omvat de introductie van buitenlandse atomen in de Tio₂ -roosterstructuur. Deze dopantatomen kunnen de elektronische eigenschappen van Tio₂ veranderen, waardoor het fotokatalytische gedrag wordt beïnvloed.
Er zijn twee hoofdtypen doping: kationische doping en anionisch doping. Kationische doping omvat typisch de substitutie van titanium (TI) atomen in het Tio₂ -rooster met metaalkationen zoals overgangsmetalen (bijv. Fe, Cu, Mn). Wanneer Fe³⁺ -ionen bijvoorbeeld in Tio₂ worden gedoteerd, kunnen ze extra energieniveaus introduceren binnen de bandgap van Tio₂. Dit kan resulteren in een vermindering van de effectieve bandgap, waardoor Tio₂ licht kan absorberen met lagere energie dan zijn native bandgap. Als gevolg hiervan kan een breder bereik van het zonnespectrum worden gebruikt voor fotokatalyse. In een studie van [naam van de onderzoeker] werd vastgesteld dat Fe-gedoteerde Tio₂ een aanzienlijk verbeterde fotokatalytische afbraak van methyleenblauwe kleurstof vertoonde onder bestraling met zichtbare licht vergeleken met pure Tio₂. Het afbraakpercentage werd met ongeveer 40% verhoogd onder dezelfde experimentele omstandigheden.
Anionische doping daarentegen omvat meestal de vervanging van zuurstof (O) atomen in het Tio₂ -rooster. Doping met stikstof (N) is bijvoorbeeld uitgebreid onderzocht. Stikstofdoping kan mid-gap-toestanden creëren binnen de bandgap van Tio₂, wat ook kan leiden tot een vermindering van de effectieve bandgap en verbeterde zichtbare lichtabsorptie. Een onderzoeksgroep meldde dat N-gedoteerde TIO₂ in staat was om organische verontreinigende stoffen in afvalwater effectiever te degraderen dan niet-gedoteerde Tio₂ onder zichtbaar licht. De verbeterde afbraak werd toegeschreven aan de verbeterde lichtabsorptie en de verhoogde scheiding van elektronengatparen vanwege de aanwezigheid van de mid-gap-toestanden.
Doping heeft echter ook zijn uitdagingen. De optimale dopingconcentratie moet zorgvuldig worden bepaald als overmatig doping kan leiden tot de vorming van defectclusters of de introductie van ongewenste elektronische toestanden die de fotokatalytische activiteit kunnen verminderen. Als de dopingconcentratie van een bepaald metaalkation bijvoorbeeld te hoog is, kan dit ervoor zorgen dat de recombinatie van elektronengatparen toeneemt in plaats van afname, waardoor het beoogde verbeteringseffect wordt tegengegaan.
Een andere effectieve strategie om de fotokatalytische activiteit van TIO₂ te verbeteren, is om deze te koppelen aan andere halfgeleidermaterialen. Wanneer twee halfgeleiders met verschillende bandgap -energieën worden gecombineerd, wordt een heterojunctie gevormd op hun interface. Deze heterojunctie kan een cruciale rol spelen bij het faciliteren van de scheiding van elektronengatparen en het verbeteren van de algehele fotokatalytische efficiëntie.
Een algemeen bestudeerde combinatie is Tio₂ met ZnO. ZnO is een andere halfgeleider met een relatief smalle bandgap (ongeveer 3,37 eV voor Wurtzite ZnO). Wanneer Tio₂ en ZnO zijn gekoppeld, leidt het verschil in hun bandgap-energieën tot de vorming van een Type-II heterojunctie. In deze heterojunctie bevindt de geleidingsband van ZnO zich op een hoger energieniveau dan die van TiO₂, terwijl de valentieband van ZnO zich op een lager energieniveau bevindt dan die van TIO₂. Dientengevolge, wanneer licht wordt geabsorbeerd door beide halfgeleiders, hebben de geëxciteerde elektronen in de geleidingsband van ZnO de neiging om te migreren naar de geleidingsband van Tio₂, en de gaten in de valentieband van Tio₂ hebben de neiging om te migreren naar de valentieband van ZnO. Deze directionele migratie van elektronengatparen scheidt ze effectief, waardoor de recombinatiesnelheid wordt verminderd en de fotokatalytische activiteit wordt verbeterd.
Experimentele studies hebben de effectiviteit van deze koppelingsbenadering aangetoond. In een onderzoek naar de afbraak van rhodamine B-kleurstof vertoonde het Tio₂-ZnO-composiet bijvoorbeeld een veel hogere afbraaksnelheid dan pure Tio₂ of ZnO alleen. De afbraaksnelheid van het composiet was ongeveer 60% hoger dan die van pure Tio₂ onder dezelfde experimentele omstandigheden. Deze significante verbetering werd toegeschreven aan de efficiënte scheiding van elektronengatparen op de heterojunctie-interface.
Een andere populaire koppelingscombinatie is Tio₂ met CD's. CDS heeft een relatief kleine bandgap (ongeveer 2,4 eV), wat betekent dat het een breder bereik van het zonnespectrum kan absorberen, inclusief zichtbaar licht. Wanneer Tio₂ en CD's worden gekoppeld, wordt ook een Type-II heterojunctie gevormd. De elektronen die zijn geëxciteerd in de geleidingsband van CD's kunnen overbrengen naar de geleidingsband van Tio₂, en de gaten in de valentieband van Tio₂ kunnen overbrengen naar de valentieband van CD's. Er moet echter worden opgemerkt dat CDS een giftig materiaal is, dus speciale zorg moet worden besteed bij het gebruik van CDS-TIO₂-composieten in toepassingen waarbij toxiciteit een zorg is, zoals in waterzuivering voor drinkwater.
Oppervlaktemodificatie is een belangrijke benadering om de fotokatalytische activiteit van Tio₂ te verbeteren. Door het oppervlak van TIO₂ te wijzigen, kunnen we de adsorptiecapaciteit voor verontreinigende stoffen verbeteren, de scheiding van elektronengatparen bevorderen en de gebruiksefficiëntie van lichte energie verhogen.
Een gemeenschappelijke methode voor oppervlaktemodificatiemethode is de afzetting van nobele metalen op het TIO₂ -oppervlak. Nobele metalen zoals platina (PT), goud (AU) en zilver (Ag) hebben unieke elektronische eigenschappen die kunnen interageren met TIO₂. Wanneer een kleine hoeveelheid nanodeeltjes van edelmetaal op het Tio₂ -oppervlak worden afgezet, kunnen ze werken als elektronenvallen. Wanneer PT-nanodeeltjes bijvoorbeeld worden afgezet op TIO₂, worden de geëxciteerde elektronen in de geleidingsband van Tio₂ aangetrokken tot de PT-nanodeeltjes, die effectief de elektronengatparen scheidt. Deze scheiding vermindert de recombinatiesnelheid en verbetert de fotokatalytische activiteit. In een onderzoek naar de afbraak van fenol vertoonde PT-gedeposeerde TiO₂ een significant hogere afbraaksnelheid dan pure TIO₂. Het afbraakpercentage werd met ongeveer 50% verhoogd onder dezelfde experimentele omstandigheden.
Een andere oppervlaktemodificatietechniek is de functionalisering van het TIO₂ -oppervlak met organische moleculen. Organische functionele groepen kunnen door verschillende chemische reacties aan het TIO₂ -oppervlak worden bevestigd. Deze functionele groepen kunnen de oppervlakte -eigenschappen van TIO₂ veranderen, zoals de hydrofobiciteit of hydrofiliciteit. Als een hydrofiele functionele groep bijvoorbeeld aan het TIO₂-oppervlak is bevestigd, kan deze de adsorptie van in water oplosbare verontreinigende stoffen verbeteren. Bovendien kunnen sommige organische functionele groepen ook fungeren als elektronendonoren of acceptoren, waardoor het fotokatalytische proces verder wordt vergemakkelijkt. Een onderzoeksteam meldde dat door het functionaliseren van het TIO₂ -oppervlak met een specifiek organisch molecuul, de fotokatalytische afbraak van een organische verontreinigende stof in afvalwater werd verbeterd met ongeveer 30% in vergelijking met niet -gemodificeerde TiO₂.
Oppervlaktextuur is ook een haalbare methode voor oppervlakte -modificatiemethode. Door micro- of nano-schaal texturen op het TIO₂-oppervlak te creëren, kunnen we het oppervlak vergroten dat beschikbaar is voor lichtabsorptie en adsorptie van verontreinigende stoffen. Door bijvoorbeeld nanoporeuze Tio₂-oppervlakken te fabriceren, kan het oppervlak aanzienlijk worden verhoogd. Dit verhoogde oppervlak zorgt voor efficiëntere lichtabsorptie en adsorptie van verontreinigende stoffen, waardoor de fotokatalytische activiteit wordt verbeterd. In een onderzoek naar luchtzuivering vertoonde Nano-poreuze TIO₂ een hogere efficiëntie bij het verwijderen van vluchtige organische verbindingen (VOS) dan gladde TIO₂-oppervlakken vanwege het verhoogde oppervlak en verbeterde lichtabsorptie.
Nanostructurering van Tio₂ in verschillende morfologieën zoals nanodeeltjes, nanobuisjes en nanodraden is aangetoond dat het een significante impact heeft op de fotokatalytische activiteit ervan. Nanostructuren bieden verschillende voordelen ten opzichte van hun bulk -tegenhangers.
Ten eerste hebben nanostructuren meestal een veel grotere oppervlakte -tot -volumeverhouding. Tio₂ nanodeeltjes met een diameter van 10 nm kunnen bijvoorbeeld een oppervlakte -tot -volumeverhouding hebben die meerdere orden van grootte groter is dan die van bulk Tio₂. Dit verhoogde oppervlak biedt meer locaties voor lichtabsorptie, adsorptie van verontreinigende stoffen en het genereren van elektronengatparen. In een onderzoek naar de afbraak van organische kleurstoffen vertoonden TIO₂ nanodeeltjes een veel snellere afbraaksnelheid dan bulk Tio₂. De afbraaksnelheid van de nanodeeltjes was ongeveer 80% hoger dan die van het bulkmateriaal onder dezelfde experimentele omstandigheden.
Ten tweede kunnen nanostructuren unieke elektronische eigenschappen hebben. Tio₂ nanobuisjes kunnen bijvoorbeeld verbeterde ladingscheiding vertonen vanwege hun eendimensionale structuur. De buisvormige vorm zorgt voor een efficiënt transport van elektronen langs de buisas, waardoor de recombinatiesnelheid van elektronengatparen wordt verminderd. In een onderzoek naar waterzuivering vertoonden TIO₂ nanobuisjes een hogere efficiëntie bij het afbreken van organische verontreinigende stoffen dan bolvormige tio₂ nanodeeltjes. De verbeterde efficiëntie werd toegeschreven aan de verbeterde ladingsscheiding en transport binnen de nanobuisjes.
Ten slotte kunnen nanostructuren eenvoudig worden geïntegreerd in verschillende apparaten en systemen. Tio₂ nanodraden kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om flexibele fotokatalytische apparaten te fabriceren. Deze flexibele apparaten kunnen worden toegepast in gebieden zoals draagbare technologie voor lucht- en waterzuivering. In een prototype-ontwikkeling was een flexibel fotokatalytisch apparaat op basis van nanodraad in staat om organische verontreinigende stoffen in een gesimuleerde draagbare omgeving effectief af te breken, wat het potentieel van nanostructurering voor praktische toepassingen aantoont.
Naast het wijzigen van het Tio₂ -materiaal zelf, kan het optimaliseren van de reactieomstandigheden ook een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de fotokatalytische activiteit.
Een belangrijk aspect is de regeling van lichtintensiteit en golflengte. Verschillende toepassingen kunnen verschillende lichtintensiteiten en golflengten vereisen voor optimale fotokatalytische prestaties. In waterzuiveringstoepassingen kan bijvoorbeeld een bepaalde intensiteit van ultraviolet licht nodig zijn om organische verontreinigende stoffen effectief af te breken. Als de lichtintensiteit echter te hoog is, kan dit overmatige verwarming van het Tio₂ -materiaal veroorzaken, wat kan leiden tot een afname van de fotokatalytische activiteit. Aan de andere kant, als de lichtintensiteit te laag is, kan de snelheid van het genereren van elektronengatparen onvoldoende zijn. Daarom is het noodzakelijk om de lichtintensiteit zorgvuldig aan te passen aan de specifieke toepassingsvereisten.
De keuze van oplosmiddel of medium beïnvloedt ook de fotokatalytische activiteit. In sommige gevallen kan het gebruik van een polair oplosmiddel zoals water de adsorptie van polaire verontreinigende stoffen op het TIO₂ -oppervlak verbeteren en het fotokatalytische proces vergemakkelijken. Voor niet-polaire verontreinigende stoffen kan een niet-polair oplosmiddel echter geschikter zijn. Bijvoorbeeld, in de afbraak van niet-polaire organische verbindingen in een olieachtige afvalstroom, kan het gebruik van een niet-polair oplosmiddel zoals hexaan de interactie tussen de verontreinigende stoffen en het TIO₂-oppervlak verbeteren, wat leidt tot een efficiënter afbraakproces.
Temperatuur is een andere factor die moet worden overwogen. Over het algemeen kan een temperatuurstijging de snelheid van chemische reacties versnellen. In de context van TIO₂ -fotokatalyse kan een matige temperatuurstijging de mobiliteit van elektronen en gaten verbeteren, waardoor de recombinatiesnelheid wordt verminderd en de fotokatalytische activiteit wordt verhoogd. Als de temperatuur echter te hoog is, kan dit de desorptie van geadsorbeerde verontreinigende stoffen van het Tio₂ -oppervlak veroorzaken of zelfs het Tio₂ -materiaal zelf beschadigen. Daarom is het essentieel om het optimale temperatuurbereik voor een specifieke toepassing te vinden.
In plaats van te vertrouwen op een enkele methode om de fotokatalytische activiteit van TIO₂ te verbeteren, kunnen combinatorische benaderingen die meerdere strategieën combineren vaak een synergetisch verbeteringseffect bereiken.
Een combinatie van doping en oppervlaktemodificatie kan bijvoorbeeld zeer effectief zijn. Door Tio₂ te doperen met een geschikt metaalkation zoals Fe³⁺ en vervolgens nanodeeltjes van edelmetalen zoals PT op het gedoteerde TIO₂-oppervlak afzetten, kunnen beide de elektronische eigenschappen van TIO₂ worden gewijzigd om de lichtabsorptie te verbeteren en de scheiding van elektronengatparen kan verder worden verbeterd door de nanopartikelen van de edelmetaal. In een onderzoek naar de afbraak van een complexe organische verontreinigende stof resulteerde deze combinatorische benadering in een afbraaksnelheid die meer dan twee keer die van pure TIO ₂ onder dezelfde experimentele omstandigheden was.
Een ander voorbeeld is de combinatie van nanostructurering en koppeling met andere halfgeleiders. Als tio₂ nanobuisjes eerst worden gefabriceerd en vervolgens worden gekoppeld aan ZnO om een heterojunctie te vormen, kunnen de unieke elektronische eigenschappen van de nanobuisjes worden gecombineerd met de gunstige effecten van de heterojunctie. De nanobuizen bieden een groot oppervlak en efficiënte ladingsscheiding, terwijl de heterojunctie verder elektronengatparen scheidt en de algehele fotokatalytische efficiëntie verbetert. In een onderzoek naar luchtzuivering toonde deze gecombineerde benadering een significante verbetering van de verwijdering van VOS in vergelijking met het gebruik van nanobuisjes of alleen de ZnO-Tio₂ heterojunction.
Combinatorische benaderingen bieden ook het voordeel dat ze tegelijkertijd meerdere beperkingen van TIO₂ -fotokatalyse kunnen aanpakken. Doping kan bijvoorbeeld de kwestie van beperkte lichtabsorptie aanpakken, oppervlaktemodificatie kan de adsorptie van verontreinigende stoffen verbeteren en koppelen met andere halfgeleiders kan de scheiding van elektronengatparen verbeteren. Door deze strategieën te combineren, kan een uitgebreidere en effectievere verbetering van de fotokatalytische activiteit van TIO₂ worden bereikt.
Hoewel er aanzienlijke vooruitgang is geboekt bij het verbeteren van de fotokatalytische activiteit van Tio₂, zijn er nog steeds verschillende uitdagingen die moeten worden aangepakt.
Een van de grootste uitdagingen is de stabiliteit van de verbeterde fotokatalytische systemen. In het geval van gedoteerde Tio₂ kunnen de dopantatomen in de loop van de tijd bijvoorbeeld uit de roosterstructuur diffunderen, wat leidt tot een afname van de verbeterde fotokatalytische activiteit. Evenzo kan in composieten gevormd door koppeling met andere halfgeleiders de interface tussen de twee halfgeleiders in de loop van de tijd afbreken, wat de efficiëntie van de heterojunctie beïnvloedt. Het handhaven van de stabiliteit op lange termijn van deze verbeterde systemen is cruciaal voor hun praktische toepassingen.
Een andere uitdaging is het opschalen van de verbeterde fotokatalytische processen. De meeste tot nu toe gerapporteerde studies zijn op laboratoriumschaal uitgevoerd. Als het gaat om toepassingen op industriële schaal, moeten problemen zoals uniforme doping, grootschalige productie van nanostructuren en efficiënte oppervlaktemodificatie op grote schaal worden aangepakt. Bij de productie van Tio₂ nanodeeltjes bijvoorbeeld voor waterzuivering op industriële schaal, waardoor uniforme deeltjesgrootte en consistente fotokatalytische wijze worden gewaarborgd
