Фотокаталітична деградація органічних забруднювачів наноструктурами оксидів з напівпровідниковими властивостями

Вступ

Одна з нагальних проблем – постійне  зростання кількості органіних забруднювачів у повітрі та стічних водах, що спричиняє погіршення екологічного стану навколишнього середовища

На сьогодні відомо багато методів очищення води і повітря: відстоювання, фільтрування, коагуляція, адсорбція, абсорбція, нейтралізація, відновлення, флотація, флоукуляція, екстракція, десорбція, зворотний осмос, ультрафільтрування, іонний обмін, перегонка і ректифікація, концентрування, окиснення хімічними реагентами, електрохімічне очищення, магнітний, ультразвуковий і метод утворення осадів. Недоліки цих методів полягають в у тому, що вони не забезпечують оптимальних параметрів очищення довкілля від більшості сучасних органічних забруднювачів. Тому актуальна розробка нових екологічно безпечних методів утилізації синтетичних органічних речовин. Фотокаталіз  може не тільки вирішити ці проблеми, але й здатний знищувати забруднювачі  споживаючи менше енергії і хімічних речовин. Тому він привертає все більшу увагу в очищенні органічних забруднювачів.

Основні принципи фотокаталізу

Напівпровідник – матеріал, електропровідність яких має проміжне значення між провідником і діалектриком. Напівпровідниками  є речовини, ширина забороненої зони яких становить близько електронвольт (еВ). Наприклад, алмаз можна віднести до широкозонних напівпровідників, а арсенід індію – до вузькозонних.

Гетерогенний фотокаталіз на напівпровідникових матеріалах дедалі ширше використується  у процесах очищення води від забруднювачів природного й техногенного походження, для дезінфекції та детоксикації води, видалення газоподібних шкідливих речовин при органічному синтезі, осадженні металів тощо. Фотокаталізом називається збудження чи зміна швидкості хімічних реакцій під дією світла чи за наявності певних речовин (фотокаталізаторів). Ці сполуки, поглинаючи кванти світла, беруть участь у хімічних перетвореннях реагентів, багаторазово вступаючи з ними в проміжну взаємодію та відновлюючи свій початковий хімічний склад після кожного циклу такої взаємодії. Фотокаталітична реакція ініціюється тоді, коли фотокаталізатор (PC) поглинає квант світла і переходить у збуджений стан:

PC + hv → PC**

Електронно- збуджений стан триває недовго, і фотокаталізатор швидко переходить, в основний або інший енерготично нижчий стан; цей  процес супроводжується  виділенням теплової чи світової енергії:

PC**→ PC + (hv чи Q)

PC**→ PC* + (hv чи Q)

Аналогічні процеси у фотокаталізі на напівпровідниках (SC) відповідають утворенню пари електрон – дірка (e- і h+) і стабілізації цих носіїв заряду на дефектах:

SC → PC + h+ +  e-

Електрон і дірка досить рухливі, певна їх частина рекомбінує під час руху в частинці напівпровідника, а решта виходять на поверхню і утримуються. Вони надзвичайно реакційно здатні.[3]

[pic 1]

Рисунок 1 – Основні процеси, які протікають на фотокаталізаторі при поглинанні кванта світла: (а) генерація пари електрон-дірка, (б) процес окиснення донора, (в) процес відновлення акцептора, (г) и (д) рекомбінація              електронів и дірок на поверхні і в об’ємі.

Фотокаталізатор у збудженому стані має високий окисно-відновний  потенціал, який становить приблизно -0,1 і +3 В, щодо  нормального водневого електрода для електрона і дірки відповідною. Для фотокаталітичної деградація органічних забруднювачів використовують фотокаталізатори на основі напівпровідників SnO2, WO3, ZnO, TiO2,  серед них TiO2 проявляє найбільшу реакційну здатність, тому найчастіше використовується.