光触媒技術：光子や光エネルギーを利用した廃液処理への取り組み

光触媒技術をご存知ですか？ 光触媒技術の使用は、さまざまな産業から発生する液体廃棄物、特に染料廃棄物の多くの問題に対処する効果的な方法です。 光触媒の定義は、光化学プロセスと触媒作用の組み合わせです。 光化学プロセスは、光をトリガーとする化学合成（変換）プロセスです。 一方、触媒とは、反応で消費されることなく、反応経路（機構）を変えることで反応を加速させることができる物質です。 したがって、光触媒作用はエネルギー源として光子を使用し、変換速度の加速として触媒を使用する化学変換プロセスであると結論付けることができます。

光触媒プロセスは一般に次の 2 つのタイプに分類されます。

• 均一光触媒: 触媒、媒体、反応物を含む光触媒プロセスは 1 つの相にあり、一般に触媒は次のような酸化剤です。 オゾンと過酸化水素。 この光触媒の利点は、選択性が高く、高強度の活性を発揮できることです。
• 不均一光触媒: 触媒が関与するが媒体や反応物と同じ相にない光触媒プロセスであり、照射に基づく技術です。 半導体光触媒、 酸化銅（CuO）、二酸化チタン（TiO2）、酸化亜鉛（ZnO）など。 不均一光触媒作用は、さまざまな媒体、つまり気相、純粋な有機液体、または水溶液中で起こります。 この光触媒の利点は安定性があり、繰り返し使用でき、分離が容易であることです。

ラハルディアン・ザイヌル氏は、「光触媒と光変換」と題した著書の中で、半導体は、バンドギャップエネルギーの大きさと、酸化および還元されるバンドギャップの種類に応じて、酸化および還元反応において光触媒として作用できると述べています。 半導体が異なれば、導電性エネルギー帯と酸化還元電位のレベルも異なります。価電子帯電位が高いほど、正孔の持つ酸化力も高くなります。 半導体のバンドギャップ エネルギーはかなり小さく、半導体のバンドギャップ エネルギー範囲は 1 ～ 5 eV です。

光触媒は廃液処理にどのように利用できますか? 光触媒材料は、水を浄化して浄化し、染料廃棄物や無毒の有機廃棄物を分解するために使用できます。生分解性水の自然。 一般的な光触媒のメカニズムは次のように説明できます。

図 2. 光触媒材料の図 (Arutanti、2009)

の上 図2、 n型半導体（電子寄付) 光触媒材料 (5) のバンドギャップ エネルギーと一致するかそれを超える光または光子 (1) にさらされると、電子は基底状態 (2) または基底状態からより高いエネルギー レベルに励起されます (4)。 3) または励起状態を生成する 穴 (h+)。 この段階では、バンドギャップエネルギーは光触媒材料に効果的に吸収される光の波長を示します。

図 3. (a) 励起された電子と (b) 再結合の図

電子の後と 穴 ほとんどの電子を分離し、 穴 これは表面上で再び相互作用し、次のように再結合効果と呼ばれます。 図3。 それでも、各電子または正孔は還元プロセス (7) と酸化 (8) を受けて基板に到達します。

光触媒表面と接触する基材の劣化プロセスでは、正孔と電子の形成による還元と酸化のメカニズムが利用されます。 電子と正孔は両方とも、汚染物質や有害な微生物を不活性化し、分解するプロセスに使用できる反応性イオンを生成することができます。 この場合、電子は空気または酸素と相互作用してスーパーオキシドラジカルを生成します。 穴 水分子と相互作用して活性ヒドロキシルラジカルとH2O+を形成する可能性があります。 これらのラジカルは、光触媒材料が光または光子によって誘導される限り生成され続け、有機化合物を CO2、H2O、鉱酸などの小分子に分解します (Dong, et al., 2015)。

水中での有機廃棄物の分解プロセスは、光分解とも呼ばれます。これは、光子エネルギーの助けを借りて化合物、通常は有機化合物を分解するプロセスです。 光分解プロセスには、一般に半導体材料である光触媒が必要です。 その原理は、光子エネルギーを受けると電子が半導体金属の価電子帯から伝導帯にジャンプするというものです。 この電子ジャンプにより、 穴 水溶媒と相互作用してラジカルを形成する可能性があります。