Фотокатализ диоксида титана длядезинфекции воды

За последние десять лет активизировалась научно-исследовательская деятельность, которая направлена на разработку фотокатализаторов для очистки воды с использованием светочувствительных материалов, таких как

TiO2 [1-5]. Основополагающие концепции очистки воды включают в себя использование солнечной энергии для окисления молекул воды для производства активных форм кислорода и других окисляющих радикалы, которые являются токсичными для микроорганизмов в воде. TiO 2 находится в центре внимания интенсивной научно- исследовательской деятельности из-за его высокой фотокаталитической активности при воздействии УФ и видимого света, химической и термической стабильности, стойкости к химическому воздействию, и сильным механическим свойствам. Применение диоксида титана позволяет полностью уничтожать органические загрязнители и микроорганизмы в воде [6-10]. Но оказалось, что большинство отчетных экспериментальных данных о фотокаталитической очистке воды не являются сопоставимыми, из-за отсутствия воспроизводимости . Таким образом, существует необходимость, оценить причины этой несовместимости.

Преобразования солнечной энергии в химическую энергию оксидами полупроводников является сложным процессом и включает в себя несколько этапов, в том числе светоиндуцированную ионизацию, разделение зарядов, перенос заряда, анодную и катодную реакцию. Общая эффективность преобразования зависит от эффективности всех этих отдельных шагов. Определение конкретных свойств материала, которые оказывают влияние на каждом этапе является важнейшей задачей, решение которой приведет к улучшению фотокаталитической производительности. В этом разделе рассматриваются свойства, связанные с производительностью, а также стратегия исследования развития высокопроизводительных фотокатализаторов.

Диоксид титана способен поглощать лишь небольшую часть солнечного спектра, который представлен на рисунке 1. В частности, соответствующий энергетический порог связан с шириной запрещенной зоны, равной 3 эВ и 3,2 эВ для рутила и анатаза, соответственно. Следовательно, уменьшение ширины запрещенной зоны, как предполагается, приведет к более эффективному использованию солнечной энергии и к увеличению числа фотогенерированных электронов и электронных дырок. Одним из наиболее распространенных методов модификации запрещенной зоны является легирование гетеровалентными ионами. Электронные носители заряда, которые формируются в результате индуцированной светом ионизации, имеют тенденцию рекомбинировать. Скорость рекомбинации может быть уменьшена путем наложения электрического поля и проникновения фотонов в результате разделения зарядов.

Когда фотокатализатор работает в водном растворе, электрическое поле формируется спонтанно в непосредственной близости к твердой / жидкой поверхности. Кроме того, любой градиент концентрации заряженных частиц также генерирует внутреннее электрическое поле.

Рисунок 1: Спектр солнечного света, с обозначением частей, которые могут быть поглощены рутилом и анатазом.

В результате сегрегации, Химический состав поверхностного слоя отличается от объемной фазы. Полученный градиент концентрации зависит от условий обработки: температуры и активности кислорода в газовой фазе, скорости охлаждения. Понимание воздействия этих эффектов поможет в оптимизации электрического поля, которое связано с максимальной производительностью.

Носители заряда электрона (электроны и дырки), которые образуются в результате ионизации под действием света, должны диффундировать от места их генерации к местам реакции на поверхности. Этот процесс зависит от омического сопротивление. Таким образом, улучшенный электронный транспорт может быть достигнуто путем увеличения концентрации носителей заряда и / или их подвижности. Тем не менее, изменение подвижности является более сложным процессом[11]. Производительность анодных и катодных участков определяется местным сродством к электронам и способностью отдачи электронов.

Инженерия и понимание полупроводникового фотокатализатора TiO 2 будет продолжать развиваться. Его широкое применение для дезинфекции воды является лишь вопросом времени. Несмотря на интенсивные исследования последних десятилетий, желательная фотокаталитическая эффективность еще должна достигнуть уровня, подходящего для практических применений. Реальность такова, что доступ к чистой водепо-прежнему является серьезной проблемой во многих частях мира. Седьмая пандемия холеры, которая началась в 1961 году, прибыла в Южную Америку в 1991 году и вызвала 4700 случаев смерти в течение одного года [12]. Фотокатализ основе воды санитарной обработки будет играют важную роль в повседневной жизни людей. Такой реальностью не слишком далеко, так как использование TiO2 широко применяется в другие отрасли промышленности, в том числе такие примеры, как самоочистки автомобили со слоем TiO2 краской. Несомненно, это будущее прорыв в технологии и технике, что получится фотокатализ в движущую силу для поддержания критические водные ресурсы.

Фотокатализ, несомненно, является желанным инструментом в борьбе с микробным загрязнением источников питьевой воды. Еще многое предстоит сделать в плане максимизации его эффективности, по повышению эксплуатационных свойств, связанных с оксидными материалами для фотокаталитического окисления органических загрязнений в воде. Будущая работа должна быть направлена на оптимизацию этих свойств материала через моделирование и проектирования.