Xúc tác quang hóa photocatalyst

SEMINAR MÔN HỌC
HÓA HỌC VÀ VẬT LIỆU XÚC TÁC
Chủ đề: Xúc tác quang hóa

Thực hiện: Tào Văn Thuận


KHÁI NIỆM XÚC TÁC QUANG HÓA
-Khái niệm xúc tác quang trong hoá học nó dùng để nói đến những
phản ứng xảy ra dưới tác dụng đồng thời của chất xúc tác và ánh
sáng, hay nói cách khác, ánh sáng chính là nhân tố kích hoạt chất xúc
tác, giúp cho phản ứng xảy ra.
- Ví dụ: Phản ứng oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của
ánh sáng thông qua TiO2.


KHÁI NIỆM CƠ BẢN

-Phân loại: Xúc tác quang hóa đồng thể và xúc tác dị
thể
-Xúc tác đồng thể:
Trong quang xúc tác đồng thể, các chất phản ứng và xúc tác
quang tồn tại trong cùng một pha. Các chất xúc tác quang đồng
nhất được sử dụng phổ biến nhất bao gồm ozone và hệ
thống Fenton (Fe + và Fe + / H 2 O 2 ).  .
Cơ chế tạo gốc hydroxyl bằng ozone có thể đi theo hai con
đường


KHÁI NIỆM CƠ BẢN

-Phân loại: Xúc tác quang hóa đồng thể và xúc tác dị
thể
-Xúc tác đồng thể:
Hệ thống Fenton tạo ra các gốc hydroxyl theo cơ chế sau 

Ưu điểm chính của quá trình này là khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời với độ
nhạy sáng lên tới 450nm, do đó tránh được chi phí cao của đèn UV và năng lượng
điện.


KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Xúc tác dị thể: Xúc tác dị thể có chất xúc tác trong

một pha khác với các chất phản ứng
- Các giai đoạn của phản ứng xúc tác quang hóa dị
thể:
GĐ 1: Khuếch tán chất phản ứng tới bề mặt của xúc
tác;
GĐ 2: Các chất tham gia phản ứng được hấp phụ lên bề
mặt chất xúc tác;
GĐ 3: Vật liệu quang xúc tác hấp thụ photon ánh sáng,
electron chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích
thích với sự chuyển mức năng lượng của electron.
.


KHÁI NIỆM CƠ BẢN
GĐ 4: - Phản ứng quang hóa được chia làm 2 giai đoạn

nhỏ: Phản ứng quang hóa sơ cấp trong đó các phân tử bị

kích thích (các phân tử chất bán dẫn) tham gia trực tiếp
vào phản ứng với các chất bị hấp phụ. Phản ứng quang hóa
thứ cấp, còn gọi là giai đoạn phản ứng “tối” hay phản ứng
nhiệt đó là giai đoạn phản ứng của các sản phẩm thuộc giai
đoạn sơ cấp.
GĐ5: Nhả hấp phụ các sản phẩm
GĐ6: - Khuếch tán các sản phẩm vào pha khí hoặc
lỏng
.


KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Điều kiện để một chất có khả năng xúc tác quang:

-Có hoạt tính quang hoá.
-Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng
tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy.
- Có giá thành rẻ, dễ chế tạo, bền trong quá trình sử
dụng, dễ th hồi và không gây ô nhiễm

Các chất xúc tác quang phổ biến là các oxit và chất
bán dẫn kim loại chuyển tiếp,


KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Cơ chế phản ứng quang hóa:

Khi được chiếu sáng có năng lượng photon

(hυ) thích hợp, bằng hoặc lớn hơn năng lượng
vùng cấm Eg (hv ≥ Eg), thì sẽ tạo ra các cặp
electron (e- ) và lỗ trống (h+ ). Các electron
được chuyển lên vùng dẫn (quang electron),
còn các lỗ trống ở lại vùng hoá trị. Các phân tử
của chất tham gia phản ứng hấp phụ lên bề
mặt chất xúc tác gồm hai loại:
• Các phân tử có khả năng nhận electron
(acceptor).
• Các phân tử có khả năng cho electron


KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Cơ chế phản ứng quang hóa:
hυ + (SC) → e- + h+
A(ads) + e- → A- (ads)
D(ads) + h+ → D+ (ads)


KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Cơ chế phản ứng quang hóa TiO2:


KHÁI NIỆM CƠ BẢN
SỰ HÌNH THÀNH GỐC OH* VÀ O2-

Chính các gốc OH* và O2- với vai trò quan trọng
ngang nhau có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ
thành H O và CO

KHÁI NIỆM CƠ BẢN
- Các giai đoạn của quá trình phản ứng với xúc tác dị thể:
Bước 1: Hấp thụ photon tạo thành cặp h+/eCatalyst + hv →   e- + h+                                         
   
Bước 2: Tương tác của cặp h+/e- với các chất trong
phản ứng dẫn đến tạo thành gốc tự do OH.:
h+  +  RXad  →  RX+ad
h+  +  H2Oads  →  OHad▪   +  H+
 h+  +  OH-ad  →  OH▪ad
H2O   →  OHad-  +   H+
e-   +  O2   →   O2O2-   + H+   →   HO2▪
H+   +   O2-   +  HO2▪ →   H2O2   +   O2
H2O2   + hv   →   2OH▪
Bước 3: Gốc OH▪ oxi hóa các chất hữu cơ gây ô nhiễm
(RXad) trên bề mặt vật liệu xúc tác.


PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG HÓA
- Các yếu tố chi phối tới tốc độ của phản ứng xúc tác quang
hóa: Lượng xúc tác (A)/ Độ dài bước sóng (B)/ Nồng độ chất
phản ứng (C)/ Cường độ bức xạ (D).


CÁC CHẤT SỬ DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC
- Các oxit:
Compound

Eg (eV)

χ*

BeO

10.5

3.15

B2O3

8.45

3.45

MgO

7.8

2.86

Al2O3

6.96

3.18

Si2O2

9.24

3.38

CaO

6.26

2.26

TiO2

3.6

3.12

Cr2O3

2.58

3.22

MnO

4

3.13

FeO

3.2

3.33

CoO

3.2

3.37

NiO

2.86

3.38

Cu2O

2.04

3.38

ZnO

3.3

3.25

Ga2O3

5.4

3.3

GeO2

5.35

3.44

Se2O3

5

3.64

SrO

6.5

2.11

MoO3
CdO
In2O3
SnO2
BaO
La2O3
CeO2
Pr2O3
Nd2O3

Sm2O3
Eu2O3
Gd2O3
Tb2O3
Dy2O3
Ho2O3
Er2O3
Tm2O3
Yb2O3
Lu2O3
HgO
Tl2O3
PbO
Bi2O3

2.74
2.5
3.55
3.57
5.2
5.5
3.78
3.8
4.6
5
4.3
5.4
3.8
4.9
5.3

5.3
5.4
4.9
5.5
2.58
2.25
2.75
2.85

3.51
3.24
3.31
3.41
1.9
2.5
2.54
2.56
2.58
2.64
2.69
2.69
2.69
2.72
2.74
2.76
2.77
2.5
2.8
3.43
3.19

3.57
3.44


CÁC CHẤT SỬ DỤNG LÀM CHẤT XÚC TÁC
- Một số muối của Ag: Ag3PO4: 2.43eV; Ag3AsO4: 1,88eV…
- Về nguyên tắc: Mọi chất đều có thể trở thành một chất xúc
tác quang hóa. Vấn đề đặt ra là tìm được một bước sóng phù
hợp để kích hoạt và hiệu quả hoạt động của nó.
- Hiện nay TiO2 được ứng dụng rộng nhất. Tuy nhiên, bước
sóng kích hoạt nằm trong vùng tử ngoại.
- Trộn thêm các nguyên tố khác: Fe, Pt, C, N, S… lên
TiO2 để giảm năng lượng kích hoạt.
- Sử dụng vật liệu xúc tác có NL kích hoạt trong vùng
khả kiến; Kết hợp với TiO2


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG

 Thanh lọc không khí
 Thanh lọc nước
 Xử lý chất thải nguy hại
 Tự làm sạch các tòa nhà cao tầng
 Chống bám bẩn
 Khử mùi, diệt vi khuẩn
 Xúc tác trong tổng hợp hữu cơ


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA

THANH LỌC KHÔNG KHÍ


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
XỬ LÝ CHẤT THẢI NGUY HẠI


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
XỬ LÝ CHẤT THẢI NGUY HẠI


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
TỰ LÀM SẠCH


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
DiỆT KHUẨN


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
XỬ LÝ NƯỚC


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
ỨNG DỤNG TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ
- Phản ứng oxy hóa:

- Phương trình phản ứng:

- Cơ chế:

TiO2


ỨNG DỤNG CỦA XÚC TÁC QUANG HÓA
ỨNG DỤNG TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ
Reductive dehalogenation


ỨNG DỤNG TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ
- Phản ứng oxy hóa: