فتوکاتالیست ها پرچمداران حوزه انرژی و محیط زیست!

منظور از فتوکاتالیست چیست؟

واژه فتوکاتالیست (Photocatalyst) به کاتالیزورهایی اطلاق می شود که در حضور نور فعال می شوند. بخش عمده این مواد اکسیدهای جامد نیمه هادی هستند که با جذب فوتون های نور، یک جفت الکترون-حفره (Electron-Hole) در آن ها ایجاد می شود. این جفت الکترون-حفره می تواند با مولکول هایی که در سطح این ذرات قرار دارند واکنش داده و کاربردهای خاصی را پدید آورند.

کلمه فوتوکاتالیست ریشه یونانی دارد و از دو بخش «فوتو» به معنای نور و «کاتالیست» تشکیل شده است. کاتالیست ماده ای است که با شرکت در واکنش های شیمیایی، سرعت آن ها را افزایش می دهد، اما خود دچار تغییر نمی شود و در پایان واکنش مجددا قابل استفاده است. واژه فوتوکالیست نیز از تلفیق دو علم شیمی نور و شیمی کاتالیست به وجود آمده است.جهت آشنایی با مواد فوتوکاتالیست، لازم است تا با برخی اصطلاحات مهم آشنا شویم:

مفهوم شکاف انرژی (Band Gap)

شکاف انرژی که با نام «بندگپ» نیز شناخته می شود، فاصله بین نوار ظرفیت (Valence Band) و نوار هدایت (conduction band) در پیکربندی الکترونی مواد است. به عبارت ساده تر، بندگپ حداقل انرژی مورد نیاز برای تحریک الکترون از نوار ظرفیت تا نوار هدایت است، جایی که می تواند آزادانه در مسیرهای مرجح جریان پیدا کند.

در مواد عایق، الکترون های نوار ظرفیت، با یک شکاف انرژی بزرگ از نوار هدایت جدا شده اند. به همین دلیل نمی توانند مقدار انرژی لازم برای گذار به نوار هدایت را به دست آورند. اما در مواد رسانا، بخشی از نوار ظرفیت با نوار هدایت همپوشانی دارد که باعث جابه جایی کسری از الکترون ها و رسانایی این مواد می شود.

مفهوم الکترون و حفره (Electron & hole)

در قسمت قبل در خصوص سازوکار انتقال الکترونی مواد رسانا و نارسانا صحبت کردیم. اما مواد نیمه رسانا حالتی بینابین دو دسته قبلی دارند. یعنی انرژی در این مواد به اندازه ای کم است که می تواند با نوعی تحریک برطرف شود.

اساس واکنش های فتوکاتالیستی، ایجاد یک زنجیره انتقال بین الکترون ها و حفرات است

در این حالت، تعداد محدودی الکترون با جذب انرژی می توانند از نوار ظرفیت به هدایت منتقل شوند. به ازای هر الکترون منتقل شده یک حفره با بار مثبت در نوار ظرفیت باقی می ماند. در صورتی که یک الکترون از یک اتم نزدیک بتواند این فضای خالی را پر کند، یک واکنش زنجیره ای بین الکترون ها و حفرات به وجود می آید که اساس کار واکنش های فوتوکاتالیستی است.

بازده کوانتومی

بازده فرایندهای فوتوکاتالیتیک که در مقالات علمی با عنوان «بازده کوانتومی» (Quantom Yield) معرفی می شود، نسبت تعداد الکترون - حفره ایجاد شده بر هر فوتون جذب شده را نشان می دهد. البته توانایی اندازه گیری نور جذب شده واقعی در سیستم های فوتوکاتالیتیک [به دلیل پراکندگی نور در سطح نیمه رسانا] بسیار دشوار است. از این رو در این حالت معمولا فرض می شود که تمام نور جذب شده است.

در ضمن، اگر چند فرآورده توسط واکنش های فتوکاتالیستی به وجود بیاید، تنها یکی از فرآورده ها مد نظر قرار می گیرد. برای به دست آوردن بازده کوانتومی، بایستی ترکیبی از تمام مسیرهای احتمالی برای الکترون و حفره در نظر گرفته شود. با این فرض؛ می توانیم بازده کوانتومی سیستم را از رابطه زیر محاسبه کنیم:در این رابطه، نرخ ترکیب مجدد الکترون و حفره هم به ترکیب شدن در سطح و حجم ماده اشاره دارد.

واضح است که بدون ترکیب، بازده کوانتومی برابر 100% خواهد بود. در حالت واقعی ترکیب مجدد همواره اتفاق می افتد و تعداد الکترون ها و حفره ها در سطح یکسان نیست. از این رو تغییرات ابعادی، مهندسی و اصلاحات سطحی مواد فوتوکاتالیست برای افزایش عملکرد آن ها ضروری است.