Можно с уверенностью утверждать, что все, что есть на Земле в большинстве своем обязано солнцу и его излучению. Природа давно научилась использовать излучение солнца для своих целей. Нефть, уголь, природный газ и другие энергоресурсы, хранящиеся на нашей планете - это по сути концентрированная солнечная энергия. Природа стала использовать фотокатализ много миллиардов лет назад, человек же только недавно познакомился с этим явлением.
Ученый Карл Ренц в 1921г описывал взаимодействие оксидов переходных металлов с органическими растворителями под действием УФ света, а чуть ранее, ученый Фентон (в 1894 г) описал взаимодействие оксида двухвалентного железа в растворе пероксида водорода с органическими соединениями приводящее к окислению органики под действием видимого спектра света. Уже в 1970г А.Фуджисима и К.Хонда описали и изучили явление электрохимического фотолиза органических соединений на электродах, изготовленных из диоксида титана и платины. С тех пор ученые мира значительно продвинулись на пути изучения и использования фотокатализа на благо человечества.
Давайте разберемся в понятии и сути явления.
Для начала нужно определиться с самим понятием фотокатализа. Для самого явления фотокатализа принято следующее определение:
Фотокатализ это изменение скорости или инициирование химических реакций под действием света в присутствии веществ (т.н. фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и принимают участие в химических превращениях.
Зачем же необходим сам фотокатализатор и почему нельзя без него, какую роль он играет?
Если у нас есть источник УФ излучения, то она сам по себе обладает свойством ионизировать молекулы и атомы веществ, т.е. говоря простым языком: выбивать из них электроны. В результате мы получаем очень реакционноспособные соединения, которые только и ищут с кем бы прореагировать, а так как вокруг много кислорода, то с ним и реагируют. Так и происходит в первом приближении, процесс окисления. Но это получается довольно долго - пока ионизированная молекула столкнется с кислородом, пока прореагирует, - она может так же испустить фотон, забрать свой электрон обратно и опять вернуться в первоначальное состояние.
А теперь давайте представим, что у нас есть некоторое твердое вещество, которое способно ионизироваться под действием света и на нем адсорбируются молекулы органических соединений, а также кислород. Что будет тогда? А все просто: ионизированные молекулы будут дольше существовать, им легче будет взаимодействовать с кислородом и в результате процесс окисления будет идти значительно быстрее.
Этим свойством обладаем большое количество оксидов переходных металлов, но самое большое распространение получил оксид титана, под действием света в УФ диапазоне, в кристаллической решетке электрон покидает свое место, в результате мы получаем как бы положительно заряженное место где был электрон, которое так и называют: “дырка” и сам электрон (заряженный отрицательно). Все это может отдельно друг от друга перемещаться по-объему нашего вещества и при выходе на поверхность реагировать с тем, что там адсорбировалось, т.е. вступать в электрохимические реакции. В частности, если это вода и кислород, то мы получаем гидроксил радикал - очень реакционно способный агент, окисляющий все, что попадается ему на пути - а это как раз может быть органическое соединение, загрязнитель, которое вот тут недалеко адсорбировалось на поверхность и греется на свету УФ-лампы…
Т.е. мы видим, что основная роль фотокатализатора - это поглощать свет и образовывать такие пары - положительно заряженную “дырку” и отрицательно заряженный электрон, которые в дальнейшем и приводят к окислительным электрохимическим реакциям. Такой механизм работы является более эффективным, чем если бы мы просто освещали газ УФ излучением. Мы знаем и про другие “ионизирующие” методы очистки воздуха от органических загрязнителей, к примеру барьерный коронный разряд. Да, он безусловно является более эффективным методом очистки воздуха через ионизацию его составляющих, но его нельзя применять в случае опасности воспламенения смеси, т.е. если мы знаем что концентрации загрязнителей довольно высоки и загрязнителями являются легковоспламеняющиеся соединения, то лучше использовать фотокатализ, хотя разумеется и тут есть свои нюансы. В случае повышенной влажности, эффективность работы барьерного коронного разряда уменьшается, но для фотокатализа влажность не является большой проблемой и т.д. В любом случае лучше всего для определения метода очистки обратиться к профессионалам.
