Фотокатализ представляет собой ускорение химической реакции под воздействием света, чаще всего ультрафиолетового (УФ) или видимого спектра. В основе фотокаталитической активности оксидных наноматериалов лежит образование электронно–дырочных пар (e⁻/h⁺) при поглощении фотона энергии, превышающей ширину запрещённой зоны (Eg) полупроводника. Эти пары могут инициировать окислительно-восстановительные процессы на поверхности наноматериала, разрушая органические загрязнители или преобразуя неактивные молекулы в химически активные формы.
Ключевые параметры фотокаталитической активности включают:
TiO₂ является наиболее изученным фотокатализатором. Наноструктурные формы (нанопорошки, нанотрубки, нанопластины) обладают значительно увеличенной поверхностью, что усиливает адсорбцию реагентов и снижает рекомбинацию носителей заряда. Важным является различие между модификациями:
ZnO демонстрирует сходные свойства, с шириной запрещённой зоны около 3,3 эВ. Наноформа ZnO характеризуется высокой фотокаталитической активностью в УФ-области, но чувствительна к фотокоррозии. Модификация поверхностными дефектами и легирование позволяет расширить спектральный диапазон действия до видимого света.
WO₃, Fe₂O₃, CeO₂ и другие оксиды переходных и редкоземельных металлов также применяются как фотокатализаторы. Их преимущество заключается в широком спектре поглощения и возможности катализа в видимой области, хотя активность часто ниже, чем у TiO₂.
Основные этапы фотокатализа на оксидных наноматериалах:
Фотогенерация носителей заряда: [ _x + he^- + h^+] где MOₓ – оксид металла, hν – энергия фотона.
Перенос электронов и дырок к поверхности: Электроны восстанавливают молекулы кислорода, образуя супероксидные радикалы ((O_2^- )), а дырки окисляют воду или гидроксильные группы, формируя гидроксильные радикалы ((•OH)).
Реакция с органическими веществами или загрязнителями: [ •OH + R ] Радикалы обладают высокой реакционной способностью, разрушая молекулы загрязнителей до CO₂, H₂O и минеральных ионов.
Рекомбинация носителей: Электрон и дырка могут рекомбинировать, теряя энергию в виде тепла или фотона. Эффективное разделение e⁻/h⁺ критично для высокой активности.
Эффективность фотокаталитических процессов напрямую зависит от структуры наноматериала, энергетической ширины запрещённой зоны, плотности активных центров и способности разделять носители заряда. Комплексный подход, включающий наноструктурирование, легирование и синтез гетероструктур, позволяет создавать фотокатализаторы с высокой активностью как в УФ, так и в видимой области спектра, открывая перспективы для экологически чистых и энергоэффективных химических технологий.