Принцип фотокатализа как метода очистки воздуха

Принцип фотокатализа.

Евгений Николаевич Савинов, доктор химических наук,
профессор кафедры физической химии Новосибирского
государственного университета, зав. группой фотокатализа
на полупроводниках Института катализа СО РАН.

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как «изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий»

Фотокатализ играет важнейшую роль в живой природе. Так, процесс фотосинтеза, обеспечивающий жизнь на Земле, фотокаталитический. В процессах очистки воды и воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используют исключительно ТiO2.

ТiO2 - полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном.

Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затра­тить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны А < 390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме части­цы ТiO2 рождаются свободный электрон и электронная вакансия (в физике полупроводников такая электрон­ная вакансия называется дыркой). Электрон способен реагировать с кислородом, рождая последовательность реакций:

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как О- и ОН- радикал.

Для полупроводниковых частиц как фотокатализаторов обычно рассматривают несколько стадий процесса: а) поглощение света — рождение электрон-дырочных пар, б) диффузия электронов и дырок к поверхности полупроводника, в) объемная рекомбинация электронов и дырок, г) поверхностная рекомбинация электронов и дырок, д) полезные реакции электронов и дырок с адсорбированными молекулами.

К настоящему моменту уже показано, что на поверхности ТiO2 могут быть окислены (минерализованы) до СО2 и Н2О практически любые органические соединения.

На практике любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным ТiO2, который облучается светом и через который продувается воздух. Органические молекулы из потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на пористое стекло (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием света от УФ-лампы.

Органические молекулы из потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на пористое стекло (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием света от УФ-лампы. Эффективность действия такого устройства демонстрируется следующим опытом. Очиститель помещают в замкнутый объем (около 190 л) , туда же добавляют ацетон. Наблюдение ведут по убыли ацетона и накоплению СО2. Кинетические кривые этого процесса представлены на странице испытания фотокаталитических приборов.