Фотокатализ представляет собой процесс ускорения химических реакций под действием света в присутствии катализатора — фотокатализатора. Главной особенностью является использование фотонной энергии для возбуждения электрона в катализаторе с последующим переносом заряда на реагенты. Этот процесс лежит в основе фотохимических преобразований и активно используется в органическом синтезе, очистке воды, разложении загрязнителей и фотохимическом получении водорода.
Фотокатализ можно классифицировать на гомогенный и гетерогенный. В гомогенном катализатор находится в той же фазе, что и реагенты, чаще всего это растворы комплексов металлов. В гетерогенном катализе катализатор — твёрдое вещество, на поверхности которого происходит реакция, что обеспечивает удобство разделения продуктов и повторного использования катализатора.
Ключевым этапом фотокатализа является возбуждение фотокатализатора под действием света с энергией, превышающей его ширину запрещённой зоны (для полупроводников) или энергии перехода электрона в молекулярных комплексах:
Поглощение фотона: Катализатор поглощает квант света, и электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости (для полупроводников) или из основного состояния в возбужденное (для молекулярных систем).
Формирование электрон–дырочной пары (e⁻/h⁺): Возбуждённый электрон становится донором для восстановления, а дырка — окислителем, способствуя переносу заряда на молекулы реагентов.
Перенос заряда на реагенты: Электрон может восстанавливать акцепторные молекулы (например, кислород, металлы), а дырка окислять донорные вещества (органические соединения, вода).
Восстановление катализатора: После передачи заряда катализатор возвращается в исходное состояние, готовый к новому фотохимическому циклу.
Полупроводниковые материалы: TiO₂, ZnO, CdS, WO₃ — наиболее распространённые катализаторы. Их эффективность определяется шириной запрещённой зоны, способностью разделять заряды и стабильностью при освещении. TiO₂ обладает широкой зоной (~3,2 эВ), высокой фотостабильностью и низкой токсичностью.
Комплексные молекулы металлов: Порфирины, родий- и платиносодержащие комплексы, хромовые соединения. Они характеризуются сильным поглощением света в видимой области и высокой селективностью реакций.
Углеродные материалы и гибриды: Графен, углеродные квантовые точки, комбинации с полупроводниками. Увеличивают проводимость, способствуют эффективному разделению электрон–дырочной пары, расширяют спектральный диапазон поглощения.
Окислительно-восстановительные реакции: Основной механизм фотокатализа часто основан на переносе электронов и дырок на окислители и восстановители. Примеры: фотокаталитическое разложение органических загрязнителей, фотосинтез водорода из воды.
Фотодеградация органических веществ: Возбуждённые фотокатализаторы образуют свободные радикалы (•OH, O₂⁻•), которые эффективно разрушают устойчивые органические молекулы.
Фотосинтез водорода: Используется вода как донор электронов, фотокатализатор активирует разложение воды с генерацией водорода и кислорода. Важны условия света, поверхностная площадь катализатора и присутствие ко-катализаторов для повышения выхода водорода.
Селективные органические реакции: Фотокатализ применяется для избирательного окисления, восстановления или циклизации органических молекул, позволяя проводить реакции при мягких условиях и с высокой химической селективностью.
Разработка новых фотокатализаторов с широким спектром поглощения, высокой стабильностью и селективностью реакций является ключевой задачей современной науки. Комбинация полупроводников с углеродными и наноструктурированными материалами позволяет увеличить эффективность разделения зарядов и расширить область применения. Особое внимание уделяется фотокатализу видимого света, что открывает возможности для более экономичного использования солнечной энергии в химических процессах.