Quang xúc tác là gì? Các công bố khoa học về Quang xúc tác

Để sử dụng hiệu quả bức xạ ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng trong nhà, chúng tôi đã tìm kiếm một quang xúc tác có độ phản ứng cao dưới ánh sáng nhìn thấy. Các màng và bột của TiO_2-xN_x đã cho thấy sự cải thiện so với điôxít titan (TiO₂) dưới ánh sáng nhìn thấy (bước sóng < 500 nanômét) trong hấp thụ quang học và hoạt tính quang xúc tác như phân hủy methylene blue và acetaldehyde dạng khí, cũng như tính kỵ nước của bề mặt màng. Nitơ bổ sung vào các vị trí thay thế của TiO₂ đã chứng tỏ là rất cần thiết để làm hẹp khoảng cách vùng và tăng cường hoạt tính quang xúc tác, như được đánh giá bởi các tính toán nguyên lý đầu tiên và quang phổ xạ tia X.

Một lớp bề mặt vô định hình trên các hạt nano titanium dioxide tạo ra các trạng thái điện tử cho phép kích thích quang với bước sóng dài hơn.

Các vật liệu cacbon nitride graphitic polymeric (để đơn giản: g‐C₃N₄) đã thu hút rất nhiều sự chú ý trong những năm gần đây do sự tương đồng với graphene. Chúng chỉ bao gồm C, N và một chút hàm lượng H. Trái ngược với graphene, g‐C₃N₄ là một chất bán dẫn băng trung bình và trong vai trò đó là một chất xúc tác quang và hóa học hiệu quả cho nhiều loại phản ứng. Trong bài tổng quan này, chúng tôi mô tả "hóa học polymer" của cấu trúc này, cách vị trí băng và khoảng băng có thể thay đổi thông qua việc pha tạp và đồng trùng hợp, và cách chất rắn hữu cơ có thể được kết cấu để trở thành một chất xúc tác dị thể hiệu quả. g‐C₃N₄ và các sửa đổi của nó có độ ổn định nhiệt và hóa học cao và có thể xúc tác cho một số "phản ứng đáng mơ ước", như quang hóa phân tách nước, các phản ứng oxi hóa nhẹ và chọn lọc, và - với vai trò là một giá đỡ xúc tác đồng tác động - các phản ứng hiđro hóa siêu hoạt. Do cacbon nitride không chứa kim loại, nó cũng chịu được các nhóm chức năng và do đó phù hợp cho các ứng dụng đa mục đích trong chuyển đổi sinh khối và hóa học bền vững.

Việc hình thành các vật liệu composite bán dẫn gồm các dị điểm đa thành phần hoặc đa pha là một chiến lược rất hiệu quả để thiết kế các hệ thống quang xúc tác có hoạt tính cao. Bài tổng kết này hệ thống hóa những chiến lược gần đây để phát triển các vật liệu composite này và nêu bật các tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực. Sau phần giới thiệu chung về các chiến lược khác nhau nhằm cải thiện hoạt động quang xúc tác thông qua việc hình thành các dị điểm, ba loại dị điểm khác nhau được trình bày chi tiết, kèm theo phần giới thiệu lịch sử về các hệ thống dị điểm bán dẫn và một cái nhìn tổng quan văn học kỹ lưỡng. Các chương đặc biệt mô tả các dị điểm carbon nitride được nghiên cứu nhiều cũng như các tiến độ gần đây trong việc hình thành dị điểm đa pha, bao gồm nhật khai thác vào hệ thống anatase-rutile mới nhất. Khi được thiết kế cẩn thận, các vật liệu composite bán dẫn gồm hai hoặc ba vật liệu hay pha khác nhau sẽ rất hiệu quả trong việc tạo điều kiện cho quá trình tách điện tích và chuyển dời hạt mang điện, cải thiện đáng kể hiệu suất quang xúc tác và quang điện hóa.

Biểu diễn hình ảnh về tất cả các phản ứng phân hủy phẩm nhuộm có thể xảy ra trong cơ chế phân hủy gián tiếp dưới ánh sáng UV. Cơ chế này thực sự quan trọng hơn so với cơ chế trực tiếp khởi động bởi ánh sáng nhìn thấy.

Những tiến bộ gần đây trong việc tổng hợp, tính chất và ứng dụng quang xúc tác của chấm lượng tử carbon (CQDs) đã được trình bày một cách tỉ mỉ, và một số quan điểm về những thách thức và cơ hội cho các nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực này cũng đã được thảo luận.

Bài tổng quan này tóm tắt những tiến bộ gần đây trong việc thiết kế, chế tạo và ứng dụng các quang xúc tác nhạy cảm với ánh sáng nhìn thấy.

Việc phát triển các vật liệu năng lượng sạch và tái tạo như một sự thay thế cho nhiên liệu hóa thạch được dự đoán là giải pháp tiềm năng cho những vấn đề khẩn cấp về ô nhiễm môi trường và thiếu hụt năng lượng. Hydro là một vật liệu năng lượng lý tưởng cho tương lai, và phân hủy nước bằng năng lượng mặt trời/điện là một cách để tạo ra hydro. Các khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một loại vật liệu xốp với những tính chất độc đáo đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng trong những năm gần đây cho các ứng dụng trong phân hủy nước nhờ vào sự linh hoạt thiết kế vượt trội, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cực lớn và các kênh lỗ có thể điều chỉnh. Bài tổng quan này tập trung vào tiến bộ gần đây trong việc áp dụng MOFs trong phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác để sản xuất hydro, bao gồm cả sự phát triển của oxy và hydro. Nó bắt đầu bằng các nguyên tắc cơ bản của phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác cũng như các yếu tố liên quan để xác định hoạt tính xúc tác. Tiến bộ gần đây trong việc khai thác MOFs cho phân hủy nước sau đó được tóm tắt, và các chiến lược cho thiết kế xúc tác dựa trên MOF cho việc phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác được trình bày. Cuối cùng, những thách thức lớn trong lĩnh vực phân hủy nước được nhấn mạnh, và một số triển vọng của các xúc tác dựa trên MOF cho quá trình phân hủy nước được đề xuất.

Các bột ZrO₂ cỡ nano với cấu trúc gần như tinh khiết gồm ba dạng đơn, tứ diện và lập phương được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng làm xúc tác cho sự phân hủy quang xúc tác của methyl orange. Tính chất cấu trúc và bề mặt của các mẫu đã được phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, phổ Raman, TEM, UV-vis, phổ điện tử tia X (XPS), và đo lường hấp thụ N₂. Hiệu suất của các hạt ZrO₂ tổng hợp trong sự phân hủy quang xúc tác methyl orange dưới ánh sáng UV đã được đánh giá. Hoạt tính quang xúc tác của mẫu ZrO₂ dạng đơn tinh khiết cao hơn so với mẫu ZrO₂ dạng tứ diện và lập phương dưới các điều kiện tối ưu giống nhau. Kết quả đặc trưng chỉ ra rằng các hạt ZrO₂ dạng đơn có độ tinh thể cao và có các mao quản với đường kính 100 Å. Hoạt tính cao hơn của mẫu ZrO₂ dạng đơn trong việc phân hủy quang xúc tác methyl orange có thể được quy cho sự kết hợp của các yếu tố bao gồm sự hiện diện của một lượng nhỏ pha zirconi oxit thiếu oxy, độ tinh thể cao, các lỗ lớn và mật độ cao của các nhóm hydroxyl trên bề mặt.