फोटोकैटालिसिस के सिद्धांत और प्रभावशाली कारक: कैसे अर्धचालक ऊर्जा बैंड प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं उत्प्रेरक दक्षता निर्धारित करने वाले छह मुख्य कारक

I. फोटोरिएक्शन की बुनियादी अवधारणाएँ
1.1 पराबैंगनी प्रकाश स्रोत
पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं के लिए प्राथमिक प्रकाश स्रोत के रूप में कार्य करता है, जिसकी विशिष्ट तरंग दैर्ध्य सीमा 250-400 एनएम है। आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले यूवी प्रकाश स्रोतों को इस प्रकार सूचीबद्ध किया गया है:
• कम दबाव वाले पारा लैंप: 254 एनएम और 185 एनएम पर यूवी प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, एक लैंप की शक्ति आम तौर पर 100 डब्ल्यू से अधिक नहीं होती है। उन्हें गर्म कैथोड और ठंडे कैथोड प्रकारों में वर्गीकृत किया जाता है। हॉट कैथोड कम दबाव वाले पारा लैंप सबसे पहले विकसित किए गए थे और सबसे व्यापक रूप से उत्पादित और लागू किए गए थे; ठंडे कैथोड लैंप की सेवा जीवन लंबी होती है। कम दबाव वाले पारा लैंप प्रयोगशाला और छोटे पैमाने के फोटोकैटलिटिक अनुसंधान के लिए प्रचलित प्रकाश स्रोत हैं।
• मध्यम दबाव वाले पारा लैंप: उच्च शक्ति आउटपुट के साथ 254-365 एनएम और लंबी तरंग दैर्ध्य को कवर करने वाला एक व्यापक उत्सर्जन स्पेक्ट्रम प्रदान करते हैं, जो बड़े पैमाने पर उपचार प्रक्रियाओं के लिए उपयुक्त है।
• उच्च दबाव पारा लैंप: मुख्य रूप से लंबी-तरंग यूवी-ए क्षेत्र के भीतर गिरने वाली 365 एनएम यूवी प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। 365 एनएम तरंग दैर्ध्य TiO₂ के अवशोषण किनारे के पास स्थित है, जो इस लैंप को TiO₂ फोटोकैटलिटिक प्रयोगों के लिए व्यापक रूप से अपनाया गया प्रकाश स्रोत बनाता है।
• ब्लैक लाइट लैंप: मुख्य रूप से लचीली बिजली विकल्पों के साथ 365 एनएम यूवी प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जो फोटोकैटलिसिस अनुसंधान में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
1.2 पराबैंगनी प्रकाश द्वारा प्रत्यक्ष क्षरण
अकेले यूवी प्रकाश सीधे कार्बनिक प्रदूषकों को नष्ट कर सकता है, फिर भी इसकी तंत्र और दक्षता फोटोकैटलिसिस से मौलिक रूप से भिन्न होती है:
• पारंपरिक यूवी क्षरण (254 एनएम यूवी): होमोलिटिक दरार के माध्यम से केवल विशिष्ट रासायनिक बंधन (उदाहरण के लिए, सी-एक्स बांड) को तोड़ता है। यह विधि केवल सीमित दक्षता पर विशेष संरचनाओं के साथ कार्बनिक पदार्थों को नष्ट करती है, और मुख्य रूप से कीटाणुशोधन और नसबंदी के लिए उपयोग की जाती है।
• वैक्यूम यूवी गिरावट (वीयूवी, 185 एनएम): छोटी तरंग दैर्ध्य उच्च ऊर्जा ले जाती है, जो अधिकांश रासायनिक बंधनों को होमोलिटिक रूप से तोड़ने और यहां तक ​​कि माध्यम में पानी के अणुओं को विघटित करने में सक्षम है। फिर भी, वीयूवी पानी में बेहद उथली प्रवेश गहराई प्रदर्शित करता है: लूप रिएक्टर में विकिरणित कुंडलाकार क्षेत्र केवल लगभग 70 माइक्रोमीटर मोटा होता है। इस पतली परत के भीतर घुलित ऑक्सीजन तेजी से खपत होती है, और अपर्याप्त ऑक्सीजन आपूर्ति इसके विपरीत पोलीमराइजेशन प्रतिक्रियाओं को ट्रिगर कर सकती है। इसलिए, वीयूवी क्षरण वर्तमान में अपेक्षाकृत कम सांद्रता वाले कार्बनिक पदार्थ वाले जल शोधन पर शोध तक सीमित है।
प्रत्यक्ष यूवी क्षरण बनाम फोटोकैटलिटिक क्षरण
• प्रत्यक्ष गिरावट: कम दक्षता, उच्च चयनात्मकता, संकीर्ण लागू सीमा
• फोटोकैटलिटिक क्षरण: हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स (·OH), उच्च दक्षता, व्यापक लागू स्पेक्ट्रम की पीढ़ी के माध्यम से पूर्ण गैर-चयनात्मक खनिजकरण
द्वितीय. फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं के मौलिक सिद्धांत
2.1 फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं का वर्गीकरण
उत्प्रेरक की मौजूदा स्थिति के आधार पर फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं को दो श्रेणियों में विभाजित किया गया है:
1. सजातीय फोटोकैटलिसिस: प्रतिक्रिया प्रणाली के भीतर उत्प्रेरक विघटित रूप में मौजूद होते हैं।
2. विषम फोटोकैटलिसिस: उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रणाली में ठोस रहते हैं।
पर्यावरणीय जल उपचार के क्षेत्र में, ठोस TiO₂ उत्प्रेरक का उपयोग करके विषम फोटोकैटलिसिस उद्योग पर हावी है।
2.2 विकास इतिहास
TiO₂ फोटोकैटलिसिस तकनीक के विकास को तीन ऐतिहासिक मील के पत्थर में संक्षेपित किया जा सकता है:
1. 1972: जापानी वैज्ञानिकों फुजीशिमा और होंडा ने नेचर में एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें पहली बार फोटोकैटलिस्ट के रूप में TiO₂ का उपयोग करके हाइड्रोजन उत्पादन के लिए पानी को विभाजित करने का एहसास हुआ। इस अग्रणी कार्य ने फोटोकैटलिसिस अनुसंधान की नींव रखी, जिसे "फुजीशिमा-होंडा प्रभाव" के रूप में जाना जाता है।
2. 1977: फ्रैंक और बार्ड ने पहली बार अपशिष्ट जल उपचार के लिए TiO₂ फोटोकैटलिसिस लागू किया और अपशिष्ट जल में साइनाइड आयनों (CN⁻) को सफलतापूर्वक ऑक्सीकृत किया, जो मौलिक अनुसंधान से व्यावहारिक अनुप्रयोगों तक फोटोकैटलिसिस तकनीक के संक्रमण को चिह्नित करता है।
3. 1990 से वर्तमान तक: नैनोटेक्नोलॉजी की शुरूआत और पर्यावरण प्रदूषण के बढ़ते मुद्दों ने प्रदूषण निवारण में TiO₂ फोटोकैटलिसिस की तेजी से प्रगति को प्रेरित किया है। दुनिया भर की सरकारों ने पर्याप्त अनुसंधान संसाधनों का निवेश किया है, जिससे प्रचुर मात्रा में अनुसंधान उपलब्धियाँ प्राप्त हुई हैं।
2.3 सेमीकंडक्टर ऊर्जा बैंड संरचना और फोटोकैटलिटिक तंत्र
अर्धचालक फोटोकैटलिसिस का सैद्धांतिक आधार अर्धचालकों की ऊर्जा बैंड संरचना से उत्पन्न होता है। अर्धचालक सामग्रियों के ऊर्जा बैंड में वैलेंस बैंड (वीबी) और कंडक्शन बैंड (सीबी) शामिल होते हैं, जिनके बीच एक ऊर्जा अंतर को बैंड गैप (ई₉) के रूप में परिभाषित किया जाता है।
जब एक अर्धचालक को उसके बैंड गैप ऊर्जा से अधिक या उसके बराबर ऊर्जा के साथ प्रकाश द्वारा विकिरणित किया जाता है, तो वैलेंस बैंड में इलेक्ट्रॉन (e⁻) उत्तेजित होते हैं और चालन बैंड में कूद जाते हैं, जिससे वैलेंस बैंड में छेद (h⁺) निकल जाते हैं। यह प्रक्रिया फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े उत्पन्न करती है, जो सभी फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं का प्रारंभिक बिंदु है।

अर्धचालक के अंदर फोटोजेनरेटेड चार्ज वाहक के तीन संभावित भाग्य होते हैं:
1. थोक पुनर्संयोजन: अर्धचालक के अंदर इलेक्ट्रॉन और छिद्र पुनः संयोजित होते हैं, जिससे ऊर्जा ऊष्मा (अवांछनीय) के रूप में निकलती है।
2. सतह पुनर्संयोजन: पुनर्संयोजन अर्धचालक सतह (अवांछनीय) पर होता है।
3. रासायनिक प्रतिक्रियाओं (लक्ष्य परिणाम) में भाग लेने के लिए सतह पर प्रवास।
केवल सतह की ओर पलायन करने वाले वाहक ही उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं चला सकते हैं।
क्वांटम यील्ड और स्पष्ट क्वांटम यील्ड फोटोकैटलिटिक दक्षता के मूल्यांकन के लिए दो महत्वपूर्ण मीट्रिक हैं।
• TiO₂ (E₉ = 3.2 eV) के लिए: अधिकतम अवशोषक घटना तरंगदैर्घ्य = 387.5 nm
• सीडीएस (ई₉ = 2.5 ईवी) के लिए: अधिकतम अवशोषक घटना तरंगदैर्घ्य = 496 एनएम
2.4 सतही रासायनिक प्रतिक्रियाएँ
TiO₂ सतह पर स्थानांतरित होने वाले चार्ज वाहक अलग-अलग ऑक्सीकरण और कमी मार्गों में भाग लेते हैं:
ऑक्सीकरण मार्ग (छिद्र प्रतिक्रियाएँ)
• 
(हाइड्रॉक्सिल रेडिकल पीढ़ी)
• 
(जल ऑक्सीकरण)
• 
(प्रत्यक्ष कार्बनिक ऑक्सीकरण)
न्यूनीकरण मार्ग (इलेक्ट्रॉन प्रतिक्रियाएँ)
• 
(सुपरऑक्साइड आयन पीढ़ी)
• 
(फेंटन जैसी प्रतिक्रिया)
·ओएच, ·ओओएच और ·ओ₂⁻ सहित एकाधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियां (आरओएस) अंततः सतह प्रतिक्रियाओं के माध्यम से उत्पन्न होती हैं। ये आरओएस कार्बनिक प्रदूषकों को कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में धीरे-धीरे ऑक्सीकरण और खनिज बनाने के लिए सहक्रियात्मक रूप से काम करते हैं।
2.5 सामान्य अर्धचालक फोटोकैटलिस्ट
विशिष्ट अर्धचालक फोटोकैटलिस्टों में TiO₂, CdS, ZnO, WO₃, Fe₂O₃, SnO₂, SrTiO₃ आदि शामिल हैं। उन्हें बैंड गैप चौड़ाई, उत्प्रेरक गतिविधि और रासायनिक स्थिरता के आधार पर नीचे वर्गीकृत किया गया है:
ठीक है



सेमीकंडक्टर
बैंड गैप (eV)
अधिकतम अवशोषक तरंगदैर्घ्य (एनएम)
उत्प्रेरक गतिविधि
स्थिरता
TiO₂
3.2
387.5
उच्च
स्थिर (कोई फोटोसंक्षारण नहीं)
सीडी
2.5
496
उच्च
अस्थिर (धातु आयन निक्षालन)
जेडएनओ
3.2
387.5
उच्च
अस्थिर (धातु आयन निक्षालन)
WO₃
2.8
443
मध्यम
अपेक्षाकृत स्थिर
Fe₂O₃
2.2
564
मध्यम
अपेक्षाकृत स्थिर
SrTiO₃
3.2
387.5
मध्यम
स्थिर
उत्प्रेरक गतिविधि, रासायनिक स्थिरता और जैव सुरक्षा पर व्यापक रूप से विचार करते हुए, TiO₂ क्षेत्र में प्रमुख फोटोकैटलिस्ट के रूप में खड़ा है: यह फोटोकोरोशन का प्रतिरोध करता है, व्यापक पीएच रेंज को सहन करता है, जीवों के लिए गैर विषैले है, और इसमें प्रचुर मात्रा में कच्चे माल का भंडार है। इसका 3.2 eV का चौड़ा बैंड गैप इसे मजबूत रेडॉक्स क्षमता प्रदान करता है। यद्यपि CdS और ZnO दृश्यमान प्रकाश को अवशोषित करने में सक्षम उच्च उत्प्रेरक गतिविधि और संकीर्ण बैंड अंतराल प्रदान करते हैं, वे धातु आयन विघटन के साथ रोशनी के तहत गंभीर फोटोकोरोशन का सामना करते हैं, जिससे उनके व्यावहारिक औद्योगिक अनुप्रयोग सीमित हो जाते हैं।
2.6 TiO₂ के तीन क्रिस्टल चरण
TiO₂ स्वाभाविक रूप से तीन क्रिस्टल रूपों में मौजूद है: एनाटेज, रूटाइल और ब्रूकाइट, TiO₆ ऑक्टाहेड्रा के कनेक्शन मोड में भिन्न है। एनाटेस में प्रत्येक ऑक्टाहेड्रोन चार आसन्न ऑक्टाहेड्रा के साथ किनारों को साझा करता है, जबकि रूटाइल और ब्रूकाइट में ऑक्टाहेड्रा केवल दो पड़ोसी इकाइयों के साथ किनारों को साझा करता है।
फोटोकैटलिटिक गतिविधि के संदर्भ में, एनाटेज़ TiO₂ उच्चतम प्रदर्शन प्रदर्शित करता है। रूटाइल थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर चरण है; उच्च तापमान कैल्सीनेशन के तहत एनाटेज अपरिवर्तनीय रूप से रूटाइल में बदल जाता है। ब्रुकाइट में खराब संरचनात्मक स्थिरता होती है और इसे फोटोकैटलिसिस में शायद ही कभी लागू किया जाता है। वाणिज्यिक P25 TiO₂ एक मिश्रित क्रिस्टल है जो लगभग 75% एनाटेज और 25% रूटाइल से बना है। चरण इंटरफ़ेस पर बने हेटेरोजंक्शन फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े को अलग करने की सुविधा प्रदान करते हैं।
तृतीय. फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रियाओं को प्रभावित करने वाले कारक
चित्र 1: फोटोकैटलिटिक डिग्रेडेशन दक्षता को नियंत्रित करने वाले छह मुख्य कारक
3.1 उत्प्रेरक कण आकार
उत्प्रेरक कण का आकार दो प्राथमिक तंत्रों के माध्यम से फोटोकैटलिटिक दक्षता पर उल्लेखनीय प्रभाव डालता है:
1. सोखना प्रदर्शन: कण का आकार कम होने से विशिष्ट सतह क्षेत्र और सतह सोखने वाली साइटों की संख्या बढ़ जाती है, जिससे प्रतिक्रिया दर में तेजी लाने के लिए कार्बनिक प्रदूषकों और घुलित ऑक्सीजन के सोखने को बढ़ावा मिलता है।
2. क्वांटम उपज अनुकूलन: छोटे कण आकार फोटोजेनरेटेड वाहक के थोक चरण से सतह तक प्रवासन समय को काफी कम कर देते हैं। उदाहरण के लिए, कण व्यास को 1 माइक्रोन से घटाकर 10 एनएम करने से वाहक प्रवासन का समय 100 नैनोसेकंड से घटकर 10 पिकोसेकंड हो जाता है, जिससे थोक पुनर्संयोजन की संभावना कम हो जाती है।
हालाँकि, महत्वपूर्ण क्वांटम आकार के प्रभाव तब उभरते हैं जब कण अत्यंत छोटे पैमाने पर सिकुड़ जाते हैं, जिससे सेमीकंडक्टर बैंड गैप (नीला बदलाव) बढ़ जाता है। जबकि यह रेडॉक्स क्षमता को बढ़ाता है, अधिकतम अवशोषक तरंग दैर्ध्य कम हो जाता है, संभावित रूप से आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले 365 एनएम यूवी प्रकाश द्वारा कुशल उत्प्रेरक उत्तेजना को रोकता है। इसलिए, व्यापक व्यापार-बंद विश्लेषण के माध्यम से कण आकार का चयन किया जाना चाहिए।
3.2 प्रकाश स्रोत और प्रकाश की तीव्रता
गिरावट की दर और प्रकाश की तीव्रता के बीच संबंध तीन अलग-अलग तरीकों से होता है:
1. कम रोशनी की तीव्रता वाला क्षेत्र:

,

प्रतिक्रिया दर स्थिर क्वांटम दक्षता के साथ प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होती है।
2. मध्यम प्रकाश तीव्रता क्षेत्र:

,

प्रतिक्रिया दर प्रकाश की तीव्रता के वर्गमूल के साथ बढ़ती है, साथ ही क्वांटम दक्षता में गिरावट आती है।
3. उच्च प्रकाश तीव्रता क्षेत्र:

,

ह्रास दर पठार, और क्वांटम दक्षता तेजी से गिरती है।
उदाहरण के तौर पर क्लोरोफॉर्म उपचार को लेते हुए, प्रकाश की तीव्रता अधिक होने पर गिरावट दर में सुधार होना बंद हो जाता है

. अत्यधिक उच्च प्रकाश तीव्रता से अत्यधिक वाहक एकाग्रता और अत्यधिक त्वरित पुनर्संयोजन दर होती है। इष्टतम क्वांटम दक्षता के लिए व्यावहारिक प्रणालियों को निम्न-से-मध्यम प्रकाश तीव्रता सीमा के भीतर संचालित करने की अनुशंसा की जाती है।
3.3 कार्बनिक प्रदूषक सांद्रता
कार्बनिक सांद्रता और फोटोकैटलिटिक क्षरण दर के बीच संबंध लैंगमुइर-हिंशेलवुड मॉडल का अनुसरण करता है। यह मॉडल मानता है कि लैंगमुइर इज़ोटेर्म के अनुपालन में कार्बनिक अणु पहले उत्प्रेरक सतह पर सोखते हैं, इसके बाद सोखने वाले प्रदूषकों और सतह प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के बीच पहले क्रम की प्रतिक्रिया होती है।
• कम सांद्रता (

): दर समीकरण को सरल बनाता है

, स्पष्ट प्रथम-क्रम गतिकी के अनुरूप। प्रदूषक सांद्रता बढ़ने से क्षरण तेज हो जाता है।
• बहुत ज़्यादा गाड़ापन (

): उत्प्रेरक सतह सोखना संतृप्ति तक पहुंचती है; दर समीकरण को सरल बनाता है

, शून्य-क्रम गतिकी के अनुरूप। आगे की सांद्रता वृद्धि गिरावट की गति को बढ़ावा देने में विफल रहती है और केवल उपचार की अवधि बढ़ाती है।
3.4 समाधान पीएच मान
पीएच कई मार्गों से फोटोकैटलिसिस को प्रभावित करता है:
1. अर्धचालक बैंड क्षमता का मॉड्यूलेशन: बैंड क्षमता सूत्र के अनुसार पीएच के साथ बदलती रहती है
. पीएच बढ़ने से चालन बैंड अधिक नकारात्मक क्षमता और वैलेंस बैंड अधिक सकारात्मक क्षमता में स्थानांतरित हो जाता है, जिससे अर्धचालक उत्प्रेरक की ऑक्सीकरण क्षमता मजबूत हो जाती है।
2. कार्बनिक प्रजाति में परिवर्तन: ऑर्गेनिक्स विभिन्न पीएच स्तरों पर तटस्थ अणुओं या आवेशित आयनों के रूप में मौजूद होते हैं, जो TiO₂ सतहों के प्रति काफी भिन्न सोखना संबंध प्रदर्शित करते हैं और सीधे प्रतिक्रिया दरों को प्रभावित करते हैं।
3. प्रकाश की तीव्रता के साथ इंटरैक्टिव प्रभाव: पीएच कम रोशनी की तीव्रता के तहत अत्यधिक स्पष्ट प्रभाव प्रदर्शित करता है (

). प्रयोगों से पता चलता है कि नीचे

पीएच 8 पर क्लोरोफॉर्म क्षरण दर पीएच 3.8 की तुलना में दस गुना अधिक है।
3.5 बाह्य इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता
बाह्य इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (उदाहरण के लिए, O₂, H₂O₂, परसल्फेट, पीरियोडेट, आदि) फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉनों को प्रभावी ढंग से फंसाते हैं, इलेक्ट्रॉन-छिद्र पुनर्संयोजन को दबाते हैं और प्रतिक्रिया दक्षता में सुधार करते हैं। ऑक्सीजन सबसे मौलिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में कार्य करता है, सिस्टम की विद्युत तटस्थता बनाए रखता है और बाद की प्रतिक्रियाओं के माध्यम से अतिरिक्त ·OH उत्पन्न करता है।
H₂O₂ दोहरा प्रभाव डालता है:
• सकारात्मक प्रभाव: यूवी विकिरण के तहत ·OH में विघटित हो जाता है या गिरावट को बढ़ावा देने के लिए फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉनों को कैप्चर करके ·OH उत्पन्न करता है।
• नकारात्मक प्रभाव: एक कट्टरपंथी सफाईकर्मी के रूप में कार्य करता है; उच्च खुराक ·OH का उपभोग करती है और क्षरण दक्षता को कम करती है।
इसलिए H₂O₂ खुराक एकाग्रता का सटीक अनुकूलन अनिवार्य है।
3.6 अकार्बनिक आयन
जलीय अकार्बनिक आयन दो तंत्रों के माध्यम से फोटोकैटलिटिक दक्षता में हस्तक्षेप करते हैं:
1. प्रतिस्पर्धी सोखना: सल्फेट, फ्लोराइड, क्लोराइड, फॉस्फेट और अन्य आयन TiO₂ सतह सोखना साइटों के लिए कार्बनिक प्रदूषकों के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं, जिससे दूषित पदार्थों और उत्प्रेरक के बीच प्रभावी संपर्क कम हो जाता है।
2. रेडिकल स्केवेंजिंग: कार्बोनेट आयन (

) प्रतिक्रिया दर स्थिरांक के साथ शक्तिशाली ·OH मैला ढोने वाले हैं

. बाइकार्बोनेट (

)·OH के साथ नगण्य प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित करता है (

). कार्बोनेट प्रजातियों का वितरण पीएच पर दृढ़ता से निर्भर करता है: ऊंचा पीएच अनुपात को बढ़ाता है

और कट्टरपंथी सफाई प्रभाव को बढ़ाता है।
3.7 प्रतिक्रिया तापमान
फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया दर और तापमान के बीच संबंध आम तौर पर अरहेनियस समीकरण के अनुरूप होता है, फिर भी लक्ष्य प्रदूषकों में तापमान का प्रभाव भिन्न होता है। फिनोल क्षरण के लिए, बढ़ते तापमान के साथ प्रतिक्रिया दर थोड़ी बढ़ जाती है; क्लोरोफॉर्म क्षरण के लिए, विशेष रूप से उच्च प्रकाश तीव्रता के तहत, ऊंचा तापमान ·OH रेडिकल के त्वरित पुनर्संयोजन के कारण क्षरण को दबा देता है। कुल मिलाकर, फोटोकैटलिसिस कमजोर तापमान निर्भरता प्रदर्शित करता है और परिवेश के तापमान पर कुशलता से काम करता है।
फोटोकैटलिसिस के संभावित लाभ और मुख्य बाधाएँ
पांच मुख्य लाभ
1. ऊर्जा की बचत: प्रकाश स्रोत के रूप में अटूट सौर विकिरण का उपयोग करता है
2. शक्तिशाली खनिजकरण क्षमता: अधिकांश कार्बनिक प्रदूषकों को विघटित करता है और भारी धातुओं को स्थिर करता है
3. उच्च सुरक्षा: उत्प्रेरक में उत्कृष्ट स्थिरता, फोटो-संक्षारण-विरोधी प्रदर्शन और गैर-विषाक्तता होती है
4. हल्की प्रतिक्रिया की स्थिति: पीएच या तापमान पर कोई सख्त आवश्यकता नहीं
5. लचीली स्केलेबिलिटी: समायोज्य प्रसंस्करण भार के साथ छोटे और बड़े पैमाने पर उपचार प्रणालियों पर लागू
दो प्रमुख तकनीकी बाधाएँ
1. फोटोकैटलिस्ट की अपर्याप्त आंतरिक गतिविधि
2. फोटोरिएक्टर के अंदर सीमित प्रकाश प्रवेश दूरी
अध्याय का सारांश
TiO₂ फोटोकैटलिसिस प्रकाश उत्तेजना के तहत फोटोजेनरेटेड इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े उत्पन्न करता है, जो कार्बनिक प्रदूषकों को खनिज करने के लिए उत्प्रेरक सतहों पर ·OH जैसी प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों का उत्पादन करता है। TiO₂ अपनी उच्च उत्प्रेरक गतिविधि, बेहतर रासायनिक स्थिरता और जैव सुरक्षा के कारण पसंदीदा फोटोकैटलिस्ट के रूप में खड़ा है। उत्प्रेरक कण आकार, प्रकाश स्रोत की तीव्रता, कार्बनिक प्रदूषक एकाग्रता, समाधान पीएच, बाहरी इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता और अकार्बनिक आयन संयुक्त रूप से समग्र फोटोकैटलिटिक दक्षता निर्धारित करते हैं। उत्प्रेरक गतिविधि और प्रकाश उपयोग दक्षता को और कैसे बढ़ाया जाए, इसे उत्प्रेरक संशोधन प्रौद्योगिकियों और फोटोरिएक्टर इंजीनियरिंग पर ध्यान केंद्रित करने वाले अगले अध्याय में शामिल किया जाएगा।