Em química , fotocatálise é a aceleração de uma fotorreação na presença de um catalisador .
O princípio da fotocatálise é baseado na ativação de um semicondutor pela luz. O semicondutor é considerado um catalisador. Seu princípio está próximo da catálise heterogênea, onde a reação de oxidação-redução ocorre na superfície do catalisador.
É a absorção de um fóton , cuja energia é maior que o intervalo entre a banda de valência e a banda de condução , que formará um par elétron - buraco no semicondutor. Há emissão de um elétron ao nível da banda de condução e formação de um buraco na banda de valência. Este par elétron-buraco permite a formação de radicais livres que irão reagir com compostos presentes no meio, ou se recombinar de acordo com vários mecanismos. Cada semicondutor tem uma diferença de energia entre sua banda de condução e sua banda de valência que é específica para ele.
Diferentes mecanismos de reação são propostos, mas foi demonstrado que a presença de água é necessária para realizar a reação fotocatalítica. Em geral, o objetivo dessa reação é oxidar compostos para obter dióxido de carbono e água. Também é possível ter intermediários para a oxidação dos produtos de partida se a reação não for completa. Para promover uma reação completa, experimentos são realizados para desacelerar a recombinação entre o par elétron-buraco.
A oxidação fotocatalítica depende de uma sinergia entre vários parâmetros: tempo de vida dos portadores de carga, taxa de adsorção / dessorção de compostos na superfície do semicondutor.
Os fotocatalisadores mais comumente usados são semicondutores com uma ampla faixa proibida ou lacuna . Freqüentemente, são óxidos ou sulfetos (TiO 2 , ZnO, CeO 2 , ZrO 2 , SnO 2 , CdS, ZnS, etc. ). Os potenciais eletroquímicos do semicondutor e pares redox O 2/ H 2 Oe H 2 / H 2 Omostra que uma interação entre eles é possível. Na verdade, as espécies radicais são formadas a partir de O 2(oxidação) e H 2 O (redução).
Por seu desempenho e custo, o dióxido de titânio (TiO 2 ) é frequentemente preferido como fotocatalisador. Ele existe em três formas cristalinas: brookita , anatase e rutilo , mas apenas as estruturas anatásio e rutilo menor têm propriedades fotocatalíticas. Foi demonstrado que uma mistura anatásio / rutilo (na proporção 80/20 ) apresenta melhores resultados do que uma ou outra das estruturas isoladamente. Para melhorar seu desempenho, experimentos mostram que, na presença de platina , o tempo de recombinação do par elétron-buraco é retardado.
Como escrito anteriormente, a degradação fotocatalítica já é usada para mineralizar completamente muitos compostos orgânicos (na fase líquida ou gasosa), mas são sobretudo os ultravioletas que estão ativos. Essa técnica sugere um amplo campo de aplicações.
A ativação do catalisador só é possível para fótons de altas energias, maiores que o gap do semicondutor, ou seja, para um comprimento de onda correspondente ao ultravioleta para o dióxido de titânio. O fotocatalisador, portanto, não exibe uma grande atividade sob irradiação solar (para óxido de titânio, a radiação solar útil é de apenas 4%). A investigação visa, portanto, alargar o comprimento da resposta espectral do catalisador, por exemplo, dopando o semicondutor com metais de transição , sensibilizando a superfície ou mesmo empilhando semicondutores.
De acordo com Ryoji Asahi et al. (2001), a dopagem de TiO 2 com nitrogênio tornaria o catalisador ativo para irradiações na faixa do visível. S.-K. Jung et al. (2006), também encontraram resultados que confirmam o efeito do doping. Melhorias ainda estão aparecendo no campo da fotocatálise.
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