Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu ceo2tio2 nano ống và hoạt tính xúc tác phân hủy quang hóa trong vùng khả kiến

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu tổng hợp vật liệu ceo2tio2 nano ống và hoạt tính xúc tác phân hủy quang hóa trong vùng, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Lê Thị Thanh Tuyền
• Người hướng dẫn: TS. Trương Quý Tùng
• Trường học: Đại học Huế
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu CeO2/TiO2 Nano Ống Và Hoạt Tính Xúc Tác Phân Hủy Quang Hóa Trong Vùng Khả Kiến
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thừa Thiên Huế

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu CeO2 TiO2 Nano Ống Nghiên Cứu Tiềm Năng

Vật liệu CeO2/TiO2 nanocomposites đang thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu nhờ cấu trúc độc đáo và hoạt tính xúc tác tiềm năng. Sự kết hợp giữa CeO2 và TiO2 tạo ra vật liệu composite với nhiều ưu điểm vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ. CeO2 nổi tiếng với khả năng oxi hóa khử linh hoạt, trong khi TiO2 được biết đến với tính chất quang xúc tác và độ bền cao. Việc tích hợp hai oxit này hứa hẹn mang lại những ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xúc tác quang hóa và phân hủy quang hóa chất ô nhiễm. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và khảo sát hoạt tính của vật liệu CeO2/TiO2 nano ống, mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Vật Liệu Nano CeO2 TiO2

Vật liệu CeO2/TiO2 là một hệ oxit hỗn hợp, trong đó CeO2 và TiO2 kết hợp với nhau ở cấp độ nano. Cấu trúc nano mang lại diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng tương tác với các chất phản ứng. Sự kết hợp này có thể tạo ra các tính chất hóa lý và điện tử mới, không có trong các oxit ban đầu. Theo nghiên cứu, "Hệ CeO2/TiO2 có các kết cấu thú vị vượt trội, trong đó vật liệu mới thể hiện các tính chất hóa lý và tính chất điện tử không có trong các oxit ban đầu" (Lê Thị Thanh Tuyền, 2019). Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.

1.2. Ưu Điểm Của Cấu Trúc Nano Ống Trong CeO2 TiO2

Cấu trúc nano ống TiO2 (TiO2-NTs) mang lại nhiều lợi thế so với cấu trúc hạt nano thông thường. Nano ống có diện tích bề mặt lớn hơn, thể tích mao quản lớn hơn và khả năng vận chuyển điện tử tốt hơn. Khi CeO2 được pha tạp vào nano ống TiO2, nó có thể cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống. "So với cấu trúc hạt nano TiO2 thường được sử dụng, nano TiO2 cấu trúc ống (TiO2 nanotubes – từ đây viết tắt là TiO2-NTs) có những tính chất ưu việt hơn trong lĩnh vực xúc tác quang" (Lê Thị Thanh Tuyền, 2019).

II. Thách Thức Trong Ứng Dụng Xúc Tác Quang Hóa CeO2 TiO2

Mặc dù CeO2/TiO2 có nhiều ưu điểm, việc ứng dụng vật liệu này trong xúc tác quang hóa vẫn còn một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là hiệu suất xúc tác chưa đủ cao để ứng dụng rộng rãi. TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời. Sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống cũng làm giảm hiệu quả xúc tác quang hóa. Do đó, cần có các giải pháp để nâng cao hiệu suất và mở rộng vùng hoạt động của CeO2/TiO2 sang vùng ánh sáng khả kiến.

2.1. Hạn Chế Về Vùng Hoạt Động Quang Học Của TiO2

Bản thân TiO2 có vùng cấm năng lượng (band gap) rộng, chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại (UV). Điều này hạn chế khả năng sử dụng ánh sáng mặt trời, nguồn năng lượng tái tạo dồi dào. Để khắc phục, cần tìm cách giảm vùng cấm năng lượng của TiO2 hoặc sử dụng các chất nhạy quang để hấp thụ ánh sáng khả kiến và truyền năng lượng cho TiO2.

2.2. Vấn Đề Tái Tổ Hợp Điện Tử Lỗ Trống Trong Xúc Tác

Sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống là một quá trình cạnh tranh với quá trình xúc tác quang hóa. Khi điện tử và lỗ trống tái tổ hợp, năng lượng sẽ bị tiêu hao dưới dạng nhiệt, làm giảm số lượng điện tử và lỗ trống có sẵn để tham gia phản ứng. Cần có các biện pháp để ngăn chặn hoặc làm chậm quá trình tái tổ hợp này, ví dụ như pha tạp kim loại hoặc tạo cấu trúc dị thể.

2.3. Độ Bền Và Khả Năng Tái Sử Dụng Của Vật Liệu Xúc Tác

Độ bền và khả năng tái sử dụng là những yếu tố quan trọng để đánh giá tính khả thi của vật liệu xúc tác. Vật liệu CeO2/TiO2 cần có độ bền hóa học và cơ học tốt để chịu được các điều kiện khắc nghiệt trong quá trình xúc tác. Khả năng tái sử dụng nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất cũng là một yêu cầu quan trọng để giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

III. Phương Pháp Điều Chế CeO2 TiO2 Nano Ống Hiệu Quả Cao

Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp điều chế CeO2/TiO2 nano ống hiệu quả cao, nhằm tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp sol-gel, phương pháp thủy nhiệt và phương pháp tẩm. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước hạt nano, diện tích bề mặt riêng và độ phân tán của CeO2 trên bề mặt TiO2. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp là yếu tố then chốt để đạt được hiệu suất xúc tác quang hóa tối ưu.

3.1. Phương Pháp Sol Gel Trong Điều Chế Vật Liệu Nano

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp vật liệu nano, bao gồm CeO2/TiO2. Phương pháp này dựa trên quá trình thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất kim loại trong dung dịch, tạo thành một mạng lưới gel. Sau đó, gel được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu oxit. Ưu điểm của phương pháp sol-gel là dễ kiểm soát thành phần và kích thước hạt nano.

3.2. Ứng Dụng Phương Pháp Thủy Nhiệt Để Tạo Nano Ống

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp nano ống TiO2 (TiO2-NTs). Trong phương pháp này, TiO2 được xử lý trong dung dịch kiềm ở nhiệt độ và áp suất cao, tạo thành cấu trúc ống. Sau đó, CeO2 có thể được pha tạp vào nano ống TiO2 bằng cách tẩm hoặc đồng kết tủa. Phương pháp thủy nhiệt cho phép kiểm soát tốt hình thái và kích thước của nano ống.

3.3. Kỹ Thuật Tẩm Trong Điều Chế CeO2 TiO2 Composite

Kỹ thuật tẩm là một phương pháp đơn giản để pha tạp CeO2 vào TiO2. Trong phương pháp này, TiO2 được ngâm trong dung dịch chứa tiền chất CeO2, sau đó sấy khô và nung. Quá trình nung sẽ phân hủy tiền chất CeO2 và tạo thành các hạt nano CeO2 phân tán trên bề mặt TiO2. Kỹ thuật tẩm dễ thực hiện và có thể điều chỉnh hàm lượng CeO2 một cách dễ dàng.

IV. Tối Ưu Hóa Hoạt Tính Xúc Tác Phân Hủy Quang Hóa CeO2 TiO2

Để nâng cao hiệu quả xúc tác quang hóa của CeO2/TiO2, cần tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác. Các yếu tố quan trọng bao gồm tỷ lệ CeO2/TiO2, kích thước hạt nano, diện tích bề mặt riêng, cấu trúc tinh thể và điều kiện phản ứng. Việc sử dụng các kỹ thuật doping kim loại hoặc doping phi kim loại cũng có thể cải thiện đáng kể hoạt tính xúc tác của vật liệu.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ CeO2 TiO2 Đến Hiệu Suất Xúc Tác

Tỷ lệ CeO2/TiO2 có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác quang hóa. Khi tỷ lệ CeO2 quá thấp, khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến sẽ bị hạn chế. Khi tỷ lệ CeO2 quá cao, các hạt nano CeO2 có thể kết tụ lại, làm giảm diện tích bề mặt riêng và cản trở quá trình xúc tác. Cần tìm ra tỷ lệ tối ưu để đạt được hiệu suất xúc tác cao nhất.

4.2. Vai Trò Của Diện Tích Bề Mặt Riêng Trong Xúc Tác Quang Hóa

Diện tích bề mặt riêng là một yếu tố quan trọng trong xúc tác quang hóa. Diện tích bề mặt lớn cung cấp nhiều vị trí hoạt động hơn cho các chất phản ứng hấp phụ và tham gia phản ứng. Cấu trúc nano ống có diện tích bề mặt lớn hơn so với cấu trúc hạt nano, do đó có thể cải thiện hiệu suất xúc tác.

4.3. Doping Kim Loại Và Phi Kim Loại Để Nâng Cao Hoạt Tính

Doping kim loại hoặc doping phi kim loại là một kỹ thuật hiệu quả để cải thiện hoạt tính xúc tác quang hóa của CeO2/TiO2. Các ion kim loại hoặc phi kim loại có thể thay đổi cấu trúc điện tử của TiO2, giảm vùng cấm năng lượng và tăng khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Ngoài ra, doping cũng có thể tạo ra các khuyết tật trên bề mặt, tăng số lượng vị trí hoạt động.

V. Ứng Dụng CeO2 TiO2 Nano Ống Trong Xử Lý Ô Nhiễm Môi Trường

CeO2/TiO2 nano ống có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường, đặc biệt là trong phân hủy quang hóa chất ô nhiễm trong nước và không khí. Vật liệu này có thể phân hủy các chất hữu cơ độc hại, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và các chất ô nhiễm khác dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng khả kiến. Ứng dụng CeO2/TiO2 trong xử lý nước thải là một giải pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường.

5.1. Phân Hủy Quang Hóa Chất Màu Hữu Cơ Bằng CeO2 TiO2

CeO2/TiO2 có khả năng phân hủy quang hóa hiệu quả các chất màu hữu cơ, như methylene blue (MB), rhodamine B và methyl orange. Quá trình phân hủy tạo ra các sản phẩm vô hại, như CO2 và H2O. Nghiên cứu đã chứng minh rằng "CeO2/TiO2-NTs có khả năng phân hủy quang hóa chất màu MB ở vùng ánh sáng khả kiến" (Lê Thị Thanh Tuyền, 2019).

5.2. Ứng Dụng CeO2 TiO2 Trong Xử Lý Nước Thải Công Nghiệp

Nước thải công nghiệp thường chứa nhiều chất ô nhiễm độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. CeO2/TiO2 có thể được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp bằng cách phân hủy quang hóa các chất ô nhiễm. Vật liệu này có thể loại bỏ các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất ô nhiễm khác, giúp làm sạch nước thải và bảo vệ nguồn nước.

5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Trong Xử Lý Ô Nhiễm Không Khí

Ngoài xử lý nước thải, CeO2/TiO2 cũng có tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm không khí. Vật liệu này có thể phân hủy quang hóa các chất ô nhiễm không khí, như NOx, VOCs và các chất gây mùi. Ứng dụng CeO2/TiO2 trong các hệ thống lọc không khí có thể giúp cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe con người.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Vật Liệu CeO2 TiO2 Nano Ống

Nghiên cứu về CeO2/TiO2 nano ống đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong xúc tác quang hóa và xử lý ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để đưa vật liệu này vào ứng dụng thực tế. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu, phát triển các phương pháp điều chế hiệu quả hơn và mở rộng phạm vi ứng dụng của CeO2/TiO2.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về CeO2 TiO2

Các nghiên cứu đã chứng minh rằng CeO2/TiO2 có hoạt tính xúc tác quang hóa cao hơn so với TiO2 nguyên chất. Việc pha tạp CeO2 vào TiO2 giúp mở rộng vùng hoạt động sang vùng ánh sáng khả kiến và giảm sự tái tổ hợp điện tử - lỗ trống. Cấu trúc nano ống cũng mang lại nhiều lợi thế so với cấu trúc hạt nano.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Mới Về Vật Liệu Xúc Tác Tiên Tiến

Các hướng nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu composite phức tạp hơn, kết hợp CeO2/TiO2 với các vật liệu khác để tạo ra các tính chất mới. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa cũng cần được đẩy mạnh để hiểu rõ hơn về vai trò của CeO2 và TiO2 trong quá trình xúc tác.

6.3. Đánh Giá Tiềm Năng Ứng Dụng Thực Tế Của CeO2 TiO2

Để đưa CeO2/TiO2 vào ứng dụng thực tế, cần có các nghiên cứu về tính khả thi kinh tế và độ bền của vật liệu. Các thử nghiệm quy mô lớn cũng cần được thực hiện để đánh giá hiệu quả của CeO2/TiO2 trong các điều kiện thực tế. Việc hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư và doanh nghiệp là cần thiết để thúc đẩy quá trình thương mại hóa vật liệu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ PHẢN ỨNG XÚC TÁC QUANG HÓA Phản ứng xúc tác quang hóa dị thể là một kĩ thuật triển vọng nhằm phân hủy các chất hóa học độc hại thường thấy trong môi trường nước. Cơ chế của phản ứng này liên quan đến sự tăng tốc độ của một phản ứng quang hóa dưới sự có mặt của một chất xúc tác quang bán dẫn rắn (ví dụ như TiO2, ZnO, ZnS,…).

Quá trình xúc tác quang bắt đầu với bước khơi mào hay sự kích thích chất xúc tác quang bằng một nguồn chiếu sáng (ví dụ như đèn UV, ánh sáng mặt trời) để thúc đẩy sự tạo thành nhiều gốc tự do hoạt hóa cao (như gốc hydroxyl .OH) tham gia vào các phản ứng oxi hóa khử góp phần làm giảm đáng kể các chất độc hữu cơ. Khái niệm xúc tác quang hóa dị thể được báo cáo đầu tiên vào năm 1964 bởi Doerfler và Hauffe khi họ tiến hành sự oxi hóa CO bằng chất xúc tác kẽm oxit bằng chiếu sáng [42]. Tuy nhiên, sự quan tâm lớn đến lĩnh vực xúc tác quang dị thể bắt đầu từ nghiên cứu của Fujishima và Honda vào năm 1972 [60] hứa hẹn sự tận dụng các vật liệu dựa trên TiO2 cho sự lưu trữ và chuyển hóa năng lượng mặt trời. Một trong những nhà nghiên cứu sớm nhất đã tập trung vào sự phân hủy chất độc trong nước là Carey vào năm 1976 [29].

Ông đã báo cáo trong nghiên cứu của mình về việc loại bỏ clo trong polychlorobiphenyls (PCBs) bằng phản ứng xúc tác quang hóa, chứng tỏ rằng phản ứng xúc tác quang dị thể là một phương pháp mới giàu tiềm năng để xử lí chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Kể từ đó, sự phát triển của quá trình quang xúc tác để làm sạch nước đã và đang phát triển đáng kể. Cho đến nay cơ chế của chất xúc tác được chiếu sáng, hiện tượng bề mặt và các cấu tử được tạo thành đã và đang được làm sáng tỏ [59], [60]. Ngoài ra, các tham số ảnh hưởng đến quá trình xúc tác quang cũng như tốc độ phản ứng cũng được nghiên cứu đầy đủ.

Một vài bài báo gần đây đã giải thích chi tiết về ảnh hưởng của pH trong dung dịch, lượng chất xúc tác, nồng độ chất nền, nhiệt độ, dòng photon, và thiết kế bình phản ứng [77]. Các chất xúc tác quang bán dẫn Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng tổng thể, và không phải là một phần của phương trình cân bằng thể hiện phản ứng. Chất bán dẫn là vật liệu có các tính chất dẫn điện ở mức trung gian giữa kim loại và chất cách điện. Nguyên nhân là do cấu hình đặc biệt của các mức năng lượng của các electron trong các chất bán dẫn.

Nói cách khác, các chất bán dẫn cũng có thể được định nghĩa là vật liệu có năng lượng vùng cấm Eg cho sự kích thích điện tử nằm trong khoảng từ 0 đến 4 eV. Các vật liệu có năng lượng vùng cấm Eg = 0 là kim loại hoặc á kim, trong khi những vật liệu có Eg lớn hơn 4 eV thường được gọi là chất cách điện [216].1, thành phần của các vùng điện tử trong chất rắn được xác định. Theo lí thuyết vùng, cấu trúc điện tử của kim loại bao gồm một vùng với những obital phân tử liên kết được điền đủ electron, được gọi là vùng hóa trị (Valance band – VB) và một vùng gồm những obital phân tử liên kết còn trống electron, được gọi là vùng dẫn (Condution Band – CB). Khoảng cách năng lượng giữa hai vùng này được gọi là năng lượng vùng cấm Eg (Band gap energy).

Sự khác nhau giữa chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn chính là sự khác nhau về vị trí và năng lượng vùng cấm. Sự phân bố vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện. Tính chất của các vật liệu bán dẫn được giải thích dựa vào lý thuyết vùng của chất rắn. Khi một số lượng lớn các nguyên tử liên kết với nhau để hình thành chất rắn, các orbital bên ngoài của chúng bắt đầu xen phủ, và hình thành một số lượng 5 lớn các mức năng lượng với khoảng cách đủ gần để có thể được xem như là một vùng liên tục của các mức năng lượng.

Khoảng cách của một vùng năng lượng chỉ phụ thuộc vào sự tương tác của các vùng lân cận, trong khi số mức năng lượng trong vùng phụ thuộc vào tổng số cấu tử tương tác (và số các nguyên tử trong tinh thể). Nhìn chung, một chất rắn có một số lượng đáng kể các vùng năng lượng cho phép từ các mức năng lượng nguyên tử khác nhau. Khoảng cách năng lượng Eg giữa các vùng năng lượng cho phép được gọi là năng lượng vùng cấm bởi vì các electron không được phép tồn tại ở đó [183]. Khi được kích thích, các electron từ vùng VB nhảy sang vùng CB qua khoảng trống năng lượng làm cho vật liệu dẫn điện tạo ra các lỗ và các electron trong mỗi vùng tương ứng.

Có hai loại chất bán dẫn: chất bán dẫn nguyên tố (elemental semiconductors) như silic hay gecmani được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp điện tử và hợp chất bán dẫn (semiconductor compounds) như các oxit kim loại hay các chalcogenide thường được sử dụng trong lĩnh vực quang xúc tác. Một tinh thể bán dẫn tinh khiết chỉ chứa một nguyên tố hay một hợp chất được gọi là chất bán dẫn nội tại (intrinsic semiconductor) thể hiện như là chất cách điện ở 0 K. Trong chất bán dẫn nội tại, số electron dẫn và lỗ trống bằng nhau, mức Fermi nằm ở chính giữa vùng hóa trị và vùng dẫn. Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số lượng rất ít các điện tử tự do trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị.

Do đó, tính chất của các chất bán dẫn này phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lỗ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích. Một chất bán dẫn được tạo thành khi thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết được gọi là chất bán dẫn pha tạp (extrinsic semiconductor). Khi thêm tạp chất vào thì cấu trúc vùng bị thay đổi, các tạp chất trong chất bán dẫn gây ra các mức năng lượng riêng biệt gọi là mức tạp chất. Có thể giải thích một cách đơn giản về bán dẫn pha tạp nhờ vào lý thuyết vùng năng lượng như sau: Khi pha tạp, sẽ xuất hiện các mức pha tạp nằm trong vùng cấm, chính các mức này khiến cho electron dễ dàng chuyển lên vùng dẫn hoặc lỗ trống dễ dàng di chuyển xuống vùng hóa trị để tạo nên tính dẫn của vật liệu.

Vì thế, chỉ cần pha tạp với hàm lượng rất nhỏ cũng làm thay đổi lớn tính chất dẫn điện của chất bán dẫn. Khi một chất bán dẫn được pha tạp với 6 các nguyên tử nhận (acceptor atoms) sẽ tạo thành các chất bán dẫn loại p. Do các nguyên tử này có thể nhận electron từ vùng hóa trị và làm tăng số lượng các lỗ trống, vì vậy trong chất bán dẫn loại p phần lớn các hạt mang điện tích là các lỗ trống mang điện dương. Khi một chất bán dẫn được pha tạp với các tạp chất cho electron đến vùng dẫn (donor impurities) sẽ tạo thành các chất bán dẫn loại n do các electron là các hạt mang điện chủ yếu.

Sự có mặt của tạp chất nhận trong chất bán dẫn đẩy mức Fermi gần hơn với vùng hóa trị, trong khi sự có mặt của tạp chất cho làm cho mức Fermi dịch lại gần phía vùng dẫn [77]. Các oxit kim loại nhóm d, bao gồm ZnO, TiO2 và Fe2O3 là những chất bán dẫn loại n. Tính chất của các chất bán dẫn loại này bắt nguồn từ sự thay đổi nhỏ trong tỉ lệ hợp phần và sự thiếu hụt ít của các nguyên tử Oxi. Sự thiếu hụt này chỉ sự có mặt của các chỗ trống anion bao quanh mà ở đó sự thiếu hụt của các điện tích âm được bù trừ bởi sự giảm các điện tích dương của các cation xung quanh.

Các chalcogenide kim loại nhóm d có số oxi hóa thấp, bao gồm Cu2O, FeO và FeS là chất bán dẫn loại p. Trong các chất bán dẫn loại này, sự mất các electron có thể xảy ra thông qua quá trình oxi hóa các nguyên tử kim loại tạo thành các lỗ trống. Lỗ trống có thể di chuyển tự do trong mạng tinh thể và tham gia vào quá trình dẫn điện khi có hiệu điện thế ngoài. Chất bán dẫn loại n ngược lại thường có khuynh hướng xuất hiện ở các oxit kim loại ở trạng thái oxi hóa cao hơn, khi đó kim loại có thể bị khử về số oxi hóa thấp hơn bởi sự chiếm vùng dẫn được hình thành từ các orbital kim loại.

Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa Quá trình xúc tác quang hóa bắt đầu khi các photon được hấp thụ bởi các chất bán dẫn có năng lượng cao hơn hoặc bằng với năng lượng vùng cấm dẫn đến sự kích thích các electron từ vùng hóa trị (VB) lên vùng dẫn (CB), tạo ra các cặp electron – lỗ trống quang sinh. Các electron và lỗ trống quang sinh này có thể kết hợp lại trên bề mặt vật liệu xúc tác bán dẫn hay trong khối các hạt bán dẫn kèm theo việc giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt, hoặc di chuyển đến bề mặt nơi chúng có thể phản ứng với các phân tử bị hấp phụ trên bề mặt của vật liệu bán dẫn. Các lỗ 7 trống quang sinh có khả năng oxi hóa và các electron quang sinh có khả năng khử. Xúc tác quang là một quá trình bao gồm nhiều bước khác nhau và một số lượng lớn các phản ứng xảy ra theo chuỗi và song song [172].2 mô tả cơ chế phản ứng xúc tác quang tổng quát của TiO2 dưới bức xạ tử ngoại (UV light) với sự hình thành các gốc OH và các cấu tử oxi hóa mạnh khác đã thúc đẩy sự phân hủy các chất độc hữu cơ trong nước.

Cơ chế xúc tác quang dưới bức xạ UV bao gồm: (1) sự hình thành chất mang điện tích, (2) sự dịch chuyển điện tích, (3) sự bắt giữ điện tích, (4) sự tái kết hợp điện tích, và (5) các phản ứng xảy ra trên bề mặt xúc tác. Cơ chế phản ứng xúc tác quang hóa dị thể [172]. Nhìn chung, hiệu quả của một chất xúc tác quang hóa phụ thuộc vào sự cạnh tranh của các quá trình chuyển hóa khác nhau trên bề mặt chung liên quan đến cặp lỗ trống - electron quang sinh và sự giảm hoạt hóa bởi sự tái hợp lại của các hạt mang điện tích này.