قابلیت تخریب آلاینده توسط کاتالیز نوری

ابعاد و مورفولوژی فتوکاتالیست

تمام واکنش های شیمیایی در سطح رخ می دهند. از این رو ابعاد ذره و مورفولوژی کاتالیزگر نوری تأثیر به سزایی در میزان مساحت سطحی و به دنبال آن نرخ تخریب آلاینده ها دارد. پژوهش ها نشان داده اند که مواد نانوساختار با ابعاد کمتر از 20 نانومتر، خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار متفاوتی نسبت به مقیاس بالک خود نشان می دهند. بنابراین در این زمینه بسیار مورد توجه هستند.

کاهش اندازه ذرات سبب افزایش شکاف انرژی نیمه هادی ها می شود. اما به طور کلی، با کاهش اندازه ذرات، مساحت سطحی ماده فوتوکاتالیست افزایش می یابد و قابلیت بیشتری برای جذب آلاینده ها و فوتون های بیشتر خواهد داشت. بنابراین اثر منفی افزایش شکاف انرژی، از این طریق خنثی می شود.

غلظت آلاینده

مشخص است که مقدار آلاینده ای که می تواند روی سطح ماده فوتوکاتالیست جذب شود، تأثیر شگرفی بر واکنش ها دارد. چرا که فقط آلاینده هایی که جذب سطح ماده فوتوکاتالیست شوند، قابلیت شرکت در واکنش های فوتوکاتالیستی را دارند. دقت داشته باشید که غلظت آلاینده ای که به صورت توده ای در تمامی نقاط محلول حضور دارد، نقشی در بازده واکنش ها ندارد.

غلظت ماده فوتوکاتالیست

نرخ نابودی آلاینده ها وابستگی شدیدی به میزان غلظت کاتالیزگر نوری دارد. افزایش غلظت ماده فوتوکاتالیست، سایت های اکتیو روی سطح این مواد را بیشتر می کند. لذا منجر به تشکیل الکترون-حفره های بیشتر و در نهایت میزان تخریب بیشتر می شود. البته افزایش میزان غلظت هر ماده فوتوکاتالیست فقط تا حدی می تواند نرخ تخریب را بهبود بخشد.

دمای واکنش

برای کسب بهترین عملکرد، باید واکنش های فتوکاتالیستی در یک دمای متعادلی انجام شوند. اکثر فوتوکاتالیست ها تا دمای 80 درجه سلسیوس عملکرد بهینه ای دارند. در دماهای بالاتر، علاوه بر افزایش میزان ترکیب مجدد، جذب آلاینده ها روی سطح ماده فوتوکاتالیست با خلل مواجه می شود.

از طرفی با کاهش دما تا صفر درجه سلسیوس، انرژی اکتیواسیون واکنش ها بالا می رود و راندمان واکنش کاهش می باید. به همین دلیل، بهتر است گستره دمایی 20 تا 80 درجه سلسیوس، به عنوان محدوده مطلوب برای تخریب نوری آلاینده ها در نظر گرفته شود.

pH محلول

تغییرات pH محلول بارهای سطحی ذرات فوتوکاتالیست و پتانسیل واکنش های کاتالیستی را تغییر می دهد. از این رو این پارامتر، روی شدت جذب سطحی آلاینده موثر است. برای مثال، ذرات TiO2در محیط های اسیدی و قلیایی به ترتیب پروتون دریافت می کنند و از دست می دهند.

یعنی سطح ساختار اکسید تیتانیوم در محیط اسیدی بار مثبت دارد و در محیط قلیایی دارای بار منفی است. لذا نانوذرات TiO2 در محیط اسیدی فعالیت اکسید کنندگی بالاتری از خود نشان می دهند. توجه به این پارامتر در طراحی و پژوهش روی کاتالیزگرهای نوری از ضروریات است.

یون های غیر آلی

در اغلب موارد، آب های آلوده دارای برخی یون های غیر آلی مانند یون های منگنز، آهن، روی، مس، فسفات، نیترات، سولفات و کلراید هستند. این یون ها با جذب سطحی روی ماده فوتوکاتالیست بر نرخ تخریب نوری آلاینده های آلی تأثیر می گذارند.

اکسیژن محلول در آب

اکسیژنی که در آب حل شده باشد، در واکنش های فوتوکاتالیستی نقش گیرنده الکترون را دارد. یعنی الکترون برانگیخته شده به نوار هدایت را به دام می اندازد و مانع ترکیب مجدد آن با حفره می شود. طبق تحقیقات، اکسیژن محلول در آب تأثیر چندانی روی میزان جذب آلاینده ها روی سطح کاتالیست TiO2 ندارد.

نیمه هادی های فوتوکاتالیست

نیمه هادی های متنوعی مانند اکسیدهای فلزی و سولفیدی (TiO2، ZnO، Fe2O3، WO3، CdS و SnO2) به دلیل خواص الکترونی منحصر به فردی که دارند، می توانند به عنوان مواد فتوکاتالیست عمل کنند. این مواد نوار ظرفیت پر و نوار هدایت خالی دارند.فوتوکاتالیست های نیمه رسانا به دلایل زیر بهترین انتخاب برای تخریب آلاینده های آلی هستند:

• ارزان بودن
• غیرسمی بودن یا سمیت کم داشتن
• انعطاف پذیری خواص
• قابلیت انتقال چندالکترونه (Multielectron transfer process)

در کنار مزایای گفته شده، این فوتوکاتالیست ها محدودیت های خاص خود را دارند، از جمله:

• شکاف انرژی بزرگ که برای تحریک الکترون ها توسط نور نیاز به پرتو فرابنفش دارد.
• ناپایداری در محیط مایع که باعث تجزیه شیمیایی آن ها می شود.
• نرخ بالای ترکیب مجدد الکترون-حفره
• ضرورت مهندسی سطح فوتوکاتالیست ها

کاراییِ یک نیمه هادی فوتوکاتالیست با معیارهای مختلفی قضاوت می شود. از جمله:

• پایداری نیمه هادی تحت تابش
• بازده کوانتومی
• درصد گزینشی بودن فرآورده های واکنش
• پاسخ گستره طول موج

برای مثال دو نمونه نیمه هادی CdS و TiO2 را در نظر بگیرید. کادمیم سولفید شکاف انرژی کوچکی دارد و می تواند فوتون های تابشی در محدوده مرئی را جذب کند، اما با گذشت زمان تحت تابش دچار تخریب می شود.

از طرفی، TiO2 یک نیمه هادی کاملا پایدار است، اما از آن جایی که انرژی بندگپ بزرگی دارد (2/3 الکترون ولت)، تنها در محدوده UV فعال است و برای کاربردهای مرئی کارآمد نیست. این در حالی است که تنها نور UV تنها 10% از پرتوهای نور خورشید را شامل می شود.با اصلاح سطحی می توان بسیاری از محدودیت های نیمه هادی ها را برطرف کرد. 3 مورد از مهم ترین دلایل لزوم اصلاح سطحی در نانوساختارهای فوتوکاتالیستی عبارتند از:

• جلوگیری از ترکیب مجدد به وسیله جداسازی بارهای ایجاد شده
• قابلیت برانگیختگی بندگپ نیمه هادی با نور مرئی
• افزایش گزینشی بودن (Selectivity) فرآورده های واکنش
• روش های مختلفی برای اصلاح سطحی نانوساختارهای فوتوکاتالیستی وجود دارد که از این میان می توان به ایجاد ساختارهای کامپوزیتی، ساختارهای هسته-پوسته و تزئین سطحی اشاره کرد.