Wyświetlenia: 0 Autor: Edytor witryny Publikuj czas: 2025-01-30 Pochodzenie: Strona
Dwutlenek tytanu (TIO₂) pojawił się jako wysoce obiecujący materiał w dziedzinie fotokatalizy ze względu na jego niezwykłe właściwości, takie jak stabilność chemiczna, nietoksyczność i stosunkowo niski koszt. Fotokataliza, proces, w którym energia światła jest wykorzystywana do napędzania reakcji chemicznych przy pomocy fotokatalizatora, takiego jak Tio₂, ma wiele zastosowań, w tym powierzchnie oczyszczania wody, oczyszczanie powietrza i samooczekiwanie. Jednak natywna aktywność fotokatalityczna TiO₂ często musi zostać zwiększona, aby spełnić wymagania różnych praktycznych zastosowań. W tym kompleksowym badaniu zagłębiamy się w różne strategie i mechanizmy, które można zastosować w celu zwiększenia aktywności fotokatalitycznej Tio₂.
Przed zbadaniem metod ulepszenia kluczowe jest solidne zrozumienie podstawowych zasad fotokatalizy TiO₂. Tio₂ to materiał półprzewodnikowy o charakterystycznym bandgap. Gdy fotony z energią równą lub większą niż energia bandgap tiO₂ (dla anatazy tiO₂, pasma bandgap wynosi około 3,2 eV), uderzają powierzchnię materiału, elektrony w paśmie walencyjnym są wzbudzone z pasmem przewodnictwa, pozostawiając otwory w paśmie walencyjnym. Te pary elektronowe są kluczowymi graczami w procesie fotokatalitycznym.
Podekscytowane elektrony w paśmie przewodnictwa mogą reagować z akceptorami elektronów, takimi jak cząsteczki tlenu zaadsorbowane na powierzchni Tio₂, zmniejszając je do rodników ponadtlenkowych (O₂⁻ •). Tymczasem otwory w paśmie walencyjnym mogą utleniać dawców elektronów, takich jak woda lub zanieczyszczenia organiczne obecne na powierzchni, wytwarzając rodniki hydroksylowe (OH •). Te wysoce reaktywne rodniki są zdolne do rozbicia zanieczyszczeń organicznych na mniejsze, mniej szkodliwe cząsteczki poprzez szereg reakcji utleniania i redukcji. Na przykład w przypadku oczyszczania wody zanieczyszczenia organiczne, takie jak barwniki lub pestycydy, można skutecznie degradować przez działanie tych rodników.
Jednak kilka czynników może ograniczyć wydajność tego naturalnego procesu fotokatalitycznego. Jednym z głównych ograniczeń jest szybka rekombinacja par elektronu, zanim będą mogły uczestniczyć w pożądanych reakcjach redoks. Ponadto zdolność adsorpcji TiO₂ dla zanieczyszczeń i wydajność wykorzystania energii świetlnej odgrywają również znaczącą rolę w określaniu ogólnej aktywności fotokatalitycznej. Zrozumienie tych ograniczeń stanowi podstawę do badania strategii w celu zwiększenia wydajności fotokatalitycznej Tio₂.
Doping jest szeroko badaną metodą poprawy aktywności fotokatalitycznej TiO₂. Obejmuje wprowadzenie obcych atomów do struktury sieci Tio₂. Te domowe atomy mogą zmieniać właściwości elektroniczne TiO₂, wpływając w ten sposób na jego zachowanie fotokatalityczne.
Istnieją dwa główne rodzaje domieszkowania: kationowe domieszkowanie i doping anionowy. Kationowe domieszkowanie zwykle obejmuje podstawienie atomów tytanu (Ti) w sieci tiO₂ kationami metalowymi, takimi jak metale przejściowe (np. Fe, Cu, Mn). Na przykład, gdy jony Fe³⁺ są domieszkowane do Tio₂, mogą wprowadzać dodatkowe poziomy energii w ramach pasma Tio₂. Może to spowodować zmniejszenie efektywnej pasma, umożliwiając TiO₂ wchłanianie światła o niższej energii niż natywna bandgap. W rezultacie do fotokatalizy można wykorzystać szerszy zakres widma słonecznego. W badaniu przeprowadzonym przez [nazwę badacza] stwierdzono, że TiO-domek domieszkowanych FE wykazywał znacznie zwiększoną degradację fotokatalityczną barwnika niebieskiego metylenowego przy widzialnym napromieniowaniu światłem w porównaniu z czystym tiO₂. Wskaźnik degradacji zwiększono o około 40% w tych samych warunkach eksperymentalnych.
Z drugiej strony anionowe domieszkowanie, zwykle obejmuje podstawienie atomów tlenu (O) w sieci Tio₂. Na przykład domieszkowanie azotem (N) zostało szeroko zbadane. Doping azotu może tworzyć stany średniego szczelin w ramach pasma TiO₂, co może również prowadzić do zmniejszenia skutecznego pasma i zwiększonej wchłaniania światła widzialnego. Grupa badawcza poinformowała, że Tio₂ domieszkowane przez N Tio₂ był w stanie degradować zanieczyszczenia organiczne w ściekach bardziej skutecznie niż niezdopocowane Tio₂ w świetle widzialnym. Zwiększoną degradację przypisano poprawie absorpcji światła i zwiększonym oddzieleniu par elektronu z powodu obecności stanów szczeliny.
Jednak doping ma również swoje wyzwania. Optymalne stężenie domieszkowania należy dokładnie określić, ponieważ nadmierne domieszkowanie może prowadzić do tworzenia klastrów defektów lub wprowadzenia niechcianych stanów elektronicznych, które mogą faktycznie zmniejszyć aktywność fotokatalityczną. Na przykład, jeśli stężenie domieszkowania pewnego kationu metalu jest zbyt wysokie, może to spowodować wzrost rekombinacji par elektronu, a nie zmniejszenie, przeciwdziałając w ten sposób zamierzonym efektem wzmocnienia.
Inną skuteczną strategią poprawy aktywności fotokatalitycznej TiO₂ jest połączenie jej z innymi materiałami półprzewodnikowymi. Gdy łącznie są dwa półprzewodniki o różnych energii bandgap, na ich interfejsie powstaje heterOjNCEction. Ta heterOj-funkcja może odgrywać kluczową rolę w ułatwianiu oddzielenia par elektronu i poprawy ogólnej wydajności fotokatalitycznej.
Jedną powszechnie badaną kombinacją jest Tio₂ z ZnO. ZnO to kolejny półprzewodnik ze stosunkowo wąską bandgap (około 3,37 eV dla Wurtzite ZnO). Gdy Tio₂ i ZnO są sprzężone, różnica w ich energie bandgap prowadzi do tworzenia heterOjunkcji typu II. W tym heterozymencie pasmo przewodzenia ZnO jest na wyższym poziomie energii niż Tio₂, podczas gdy pasmo walencyjne ZnO jest na niższym poziomie energii niż Tio₂. W rezultacie, gdy światło jest wchłaniane przez półprzewodnik, wzbudzone elektrony w paśmie przewodnictwa ZnO mają tendencję do migracji do pasma przewodzenia Tio₂, a otwory w paśmie walencyjnym Tio₂ mają tendencję do migracji do pasma walencyjnego ZnO. Ta kierunkowa migracja par elektron-hole skutecznie je oddziela, zmniejszając szybkość rekombinacji i zwiększając aktywność fotokatalityczną.
Badania eksperymentalne wykazały skuteczność tego podejścia sprzęgającego. Na przykład w badaniu degradacji barwnika rodaminy B kompozyt Tio₂-Zno wykazał znacznie wyższą szybkość degradacji niż sam czysty Tio₂ lub ZnO. Szybkość degradacji kompozytu była około 60% wyższa niż w przypadku czystego Tio₂ w tych samych warunkach eksperymentalnych. Ta znacząca poprawa została przypisana wydajnemu oddzieleniu par elektronu na interfejsie heterOjunction.
Kolejną popularną kombinacją sprzęgania jest Tio₂ z CDS. CDS ma stosunkowo niewielką bandgap (około 2,4 eV), co oznacza, że może wchłonąć szerszy zakres widma słonecznego, w tym światło widzialne. Po sprzężeniu TiO₂ i CDS powstaje również heterOjunction typu II. Elektrony wzbudzone w paśmie przewodnictwa CD mogą przenieść się na pasek przewodzenia Tio₂, a otwory w paśmie walencyjnym TiO₂ mogą przenieść się na pasmo walencyjne CDS. Należy jednak zauważyć, że CDS jest toksycznym materiałem, więc należy zachować szczególną ostrożność przy użyciu kompozytów CDS-Tio₂ w zastosowaniach, w których toksyczność jest problemem, na przykład w oczyszczaniu wody dla wody pitnej.
Modyfikacja powierzchni jest ważnym podejściem do zwiększenia aktywności fotokatalitycznej TiO₂. Modyfikując powierzchnię TiO₂, możemy poprawić jego zdolność adsorpcyjną zanieczyszczeń, promować oddzielenie par elektrono-dołek i zwiększyć wydajność wykorzystania energii świetlnej.
Jedną z powszechnych metod modyfikacji powierzchni jest osadzanie metali szlachetnych na powierzchni Tio₂. Metale szlachetne, takie jak platyna (PT), złoto (AU) i srebrne (AG), mają unikalne właściwości elektroniczne, które mogą oddziaływać z Tio₂. Gdy na powierzchni Tio₂ osadzają się niewielka ilość nanocząstek metali szlachetnych, mogą działać jako pułapki elektronowe. Na przykład, gdy nanocząstki PT są osadzane na Tio₂, wzbudzone elektrony w paśmie przewodnictwa TiO₂ przyciągają nanocząstki PT, które skutecznie oddziela pary elektronu. Ta separacja zmniejsza szybkość rekombinacji i zwiększa aktywność fotokatalityczną. W badaniu degradacji fenolu TiO₂ opoznany z PT wykazał znacznie wyższą szybkość degradacji niż czysty tiO₂. Wskaźnik degradacji zwiększono o około 50% w tych samych warunkach eksperymentalnych.
Kolejną techniką modyfikacji powierzchni jest funkcjonalizacja powierzchni TiO₂ z cząsteczkami organicznymi. Organiczne grupy funkcjonalne mogą być przymocowane do powierzchni TiO₂ poprzez różne reakcje chemiczne. Te grupy funkcjonalne mogą zmienić właściwości powierzchni TiO₂, takie jak jego hydrofobowość lub hydrofilowość. Na przykład, jeśli do powierzchni TiO₂ dołączona jest hydrofilowa grupa funkcjonalna, może poprawić adsorpcję zanieczyszczeń rozpuszczalnych w wodzie. Ponadto niektóre organiczne grupy funkcjonalne mogą również działać jako dawcy elektronów lub akceptory, dodatkowo ułatwiając proces fotokatalityczny. Zespół badawczy poinformował, że poprzez funkcjonalizowanie powierzchni TiO₂ za pomocą specyficznej cząsteczki organicznej, fotokatalityczna degradacja zanieczyszczenia organicznego w ściekach została wzmocniona o około 30% w porównaniu z niezmodyfikowanym Tio₂.
Teksturowanie powierzchni jest również realną metodą modyfikacji powierzchni. Tworząc tekstury w skali mikro- lub nano na powierzchni Tio₂, możemy zwiększyć powierzchnię dostępną do absorpcji światła i adsorpcji zanieczyszczeń. Na przykład poprzez wytwarzanie nano-piornych powierzchni Tio₂ powierzchnia można znacznie zwiększyć. Ta zwiększona powierzchnia pozwala na bardziej wydajną wchłanianie światła i adsorpcję zanieczyszczeń, zwiększając w ten sposób aktywność fotokatalityczną. W badaniu o oczyszczaniu powietrza nano-pismo Tio₂ wykazywało wyższą wydajność w usuwaniu lotnych związków organicznych (LZO) niż gładkie powierzchnie tio₂ ze względu na zwiększoną powierzchnię i poprawę absorpcji światła.
Wykazano, że nanostrukturowanie w różnych morfologiach, takich jak nanocząstki, nanorurki i nanodruty, mają znaczący wpływ na jej aktywność fotokatalityczną. Nanostruktury oferują kilka korzyści w stosunku do ich masowych odpowiedników.
Po pierwsze, nanostruktury zwykle mają znacznie większy stosunek powierzchni do objętości. Na przykład nanocząstki TiO₂ o średnicy 10 nm mogą mieć stosunek powierzchni do objętości, który jest o kilka rzędów wielkości większej niż w przypadku masowej tio₂. Ta zwiększona powierzchnia zapewnia więcej miejsc do absorpcji światła, adsorpcji zanieczyszczeń i wytwarzania par elektronu. W badaniu degradacji barwników organicznych nanocząsteczki TiO₂ wykazały znacznie szybszy wskaźnik degradacji niż tiO₂. Wskaźnik degradacji nanocząstek był około 80% wyższy niż w przypadku materiału objętościowego w tych samych warunkach eksperymentalnych.
Po drugie, nanostruktury mogą mieć unikalne właściwości elektroniczne. Na przykład nanorurki TIO₂ mogą wykazywać zwiększone rozdział ładowania ze względu na ich jednowymiarową strukturę. Kształt kanalikowy pozwala na wydajny transport elektronów wzdłuż osi rurki, zmniejszając szybkość rekombinacji par elektrono-dołek. W badaniu o oczyszczaniu wody nanorurki TiO₂ wykazały wyższą wydajność degradujących zanieczyszczeń organicznych niż sferyczne nanocząstki TiO₂. Zwiększoną wydajność przypisano poprawie rozdziału ładunku i transportu w nanorurkach.
Wreszcie nanostruktury można łatwo zintegrować z różnymi urządzeniami i systemami. Na przykład nanodruty TiO₂ mogą być używane do wytwarzania elastycznych urządzeń fotokatalitycznych. Te elastyczne urządzenia można zastosować w obszarach takich jak technologia noszenia do oczyszczania powietrza i wody. W prototypowym rozwoju elastyczne urządzenie fotokatalityczne oparte na nanoprzewodach TiO₂ było w stanie skutecznie degradować zanieczyszczenia organiczne w symulowanym środowisku noszenia, pokazując potencjał nanostruktury do praktycznych zastosowań.
Oprócz modyfikacji samego materiału TiO₂, optymalizacja warunków reakcji może również odgrywać kluczową rolę w zwiększaniu jego aktywności fotokatalitycznej.
Jednym z ważnych aspektów jest kontrola intensywności światła i długości fali. Różne zastosowania mogą wymagać różnych intensywności światła i długości fal dla optymalnej wydajności fotokatalitycznej. Na przykład w zastosowaniach oczyszczania wody może być wymagana pewna intensywność światła ultrafioletowego do skutecznego degradacji zanieczyszczeń organicznych. Jeśli jednak intensywność światła jest zbyt wysoka, może powodować nadmierne ogrzewanie materiału TiO₂, co może prowadzić do zmniejszenia aktywności fotokatalitycznej. Z drugiej strony, jeśli intensywność światła jest zbyt niska, szybkość wytwarzania par elektronu może być niewystarczająca. Dlatego konieczne jest ostrożne dostosowanie intensywności światła zgodnie z konkretnymi wymaganiami aplikacyjnymi.
Wybór rozpuszczalnika lub pożywki wpływa również na aktywność fotokatalityczną. W niektórych przypadkach stosowanie rozpuszczalnika polarnego, takiego jak woda, może zwiększyć adsorpcję zanieczyszczeń polarnych na powierzchni Tio₂ i ułatwić proces fotokatalityczny. Jednak w przypadku zanieczyszczeń niepolarnych rozpuszczalnik niepolarny może być bardziej odpowiedni. Na przykład w degradacji niepolarnych związków organicznych w strumieniu odpadów tłustych przy użyciu rozpuszczalnika niepolarnego, takiego jak heksan, może poprawić interakcję między zanieczyszczeniami a powierzchnią TiO₂, prowadząc do bardziej wydajnego procesu degradacji.
Temperatura to kolejny czynnik, który należy wziąć pod uwagę. Zasadniczo wzrost temperatury może przyspieszyć szybkość reakcji chemicznych. W kontekście fotokatalizy TiO₂ umiarkowany wzrost temperatury może zwiększyć mobilność elektronów i otworów, zmniejszając szybkość rekombinacji i zwiększając aktywność fotokatalityczną. Jeśli jednak temperatura jest zbyt wysoka, może to spowodować desorpcję adsorbowanych zanieczyszczeń z powierzchni Tio₂, a nawet uszkodzić sam materiał Tio₂. Dlatego niezbędne jest znalezienie optymalnego zakresu temperatur dla określonej aplikacji.
Zamiast polegać na jednej metodzie w celu zwiększenia aktywności fotokatalitycznej TiO₂, metody kombinatoryczne, które łączą wiele strategii, mogą często osiągnąć efekt synergistycznego wzmocnienia.
Na przykład kombinacja domieszkowania i modyfikacji powierzchni może być wysoce skuteczna. Poprzez domopowanie Tio₂ odpowiednim kationem metalu, takim jak Fe³⁺, a następnie osadzanie nanocząstek szlachetnych metali, takich jak PT na domieszkowanej powierzchni TiO₂, oba właściwości elektroniczne TiO₂ można zmienić w celu poprawy absorpcji światła, a oddzielenie par elektronowych można dalej wzmocnić przez szlachetne nanocząsteczki metalowe. W badaniu degradacji złożonego zanieczyszczenia organicznego, to kombinatoryczne podejście spowodowało wskaźnik degradacji, który był ponad dwukrotnie większy niż w przypadku czystego Tio₂ w tych samych warunkach eksperymentalnych.
Innym przykładem jest połączenie nanostruktury i sprzężenia z innymi półprzewodnikami. Jeśli nanorurki TiO₂ są najpierw wytwarzane, a następnie połączone z ZnO w celu utworzenia heterOjunkcji, unikalne właściwości elektroniczne nanorurek można połączyć z korzystnym efektem heterOjunkcji. Nanorurki zapewniają dużą powierzchnię i wydajne rozdział ładunku, podczas gdy heterOjunkcja dalej oddziela pary elektronu i poprawia ogólną wydajność fotokatalityczną. W badaniu o oczyszczaniu powietrza to połączone podejście wykazało znaczącą poprawę usuwania LZO w porównaniu z zastosowaniem samego nanorurek lub samego heterOjNCECTION ZNO-TIO₂.
Podejścia kombinatoryczne stanowią również przewagę, że można jednocześnie rozwiązać wiele ograniczeń fotokatalizy TiO₂. Na przykład domieszkowanie może rozwiązać problem ograniczonej absorpcji światła, modyfikacja powierzchni może poprawić adsorpcję zanieczyszczeń, a sprzężenie z innymi półprzewodnikami może zwiększyć rozdział par elektronu. Łącząc te strategie, można uzyskać bardziej kompleksowe i skuteczne zwiększenie aktywności fotokatalitycznej TiO₂.
Podczas gdy poczyniono znaczny postęp w zwiększaniu aktywności fotokatalitycznej TiO₂, nadal istnieje kilka wyzwań, które należy rozwiązać.
Jednym z głównych wyzwań jest stabilność ulepszonych układów fotokatalitycznych. Na przykład w przypadku domieszkowanego Tio₂ z czasem atomy domieszkowania mogą rozproszyć się ze struktury sieci, co prowadzi do zmniejszenia zwiększonej aktywności fotokatalitycznej. Podobnie, w kompozytach utworzonych przez sprzężenie z innymi półprzewodnikami, interfejs między dwoma półprzewodnikami może z czasem degradować, wpływając na wydajność heterOjunction. Utrzymanie długoterminowej stabilności tych ulepszonych systemów ma kluczowe znaczenie dla ich praktycznych zastosowań.
Kolejnym wyzwaniem jest skalowanie ulepszonych procesów fotokatalitycznych. Większość dotychczas zgłoszonych badań została przeprowadzona w skali laboratoryjnej. Jeśli chodzi o zastosowania w skali przemysłowej, należy rozwiązać problemy, takie jak jednolite dopracanie, duża produkcja nanostruktur i wydajna modyfikacja powierzchni na dużą skalę. Na przykład w produkcji nanocząstek TiO₂ do oczyszczania wody w skali przemysłowej, zapewniając jednolitą wielkość cząstek i spójny fotokatalityczny
