Výzkum a praktické využití heterogenní fotokatalýzy

Heterogenní fotokatalýza je jedním z pokročilých oxidačních procesů, navrhovaných pro čištění vody a vzduchu. Jejím působením dochází na povrchu fotokatalyzátoru vystaveném ultrafialovému záření, např. ozařovaných částicích či vrstvách oxidu titaničitého, k postupné oxidativní degradaci veškerých organických látek, včetně mikroorganismů. Nakonec se i ty nejsložitější organické molekuly přemění na neškodné jednoduché anorganické sloučeniny, tj. vodu, oxid uhličitý a příslušné minerální kyseliny. Základem těchto dějů je pohlcování fotonů polovodičovým fotokatalyzátorem. Tím se v jeho elektronové struktuře vytvářejí dvojice kladných a záporných nábojů, které jsou v prostředí polovodiče volně pohyblivé. Většina těchto nábojů podlehne uvnitř polovodičové částice rekombinaci, ale část z nich se zachytí na jejím povrchu. Zachycené kladné a záporné náboje mohou buď přímo oxidovat, resp. redukovat adsorbované molekuly, nebo se transformovat na vysoce reaktivní hydroxylové radikály, které následně atakují organické látky v okolním vodném roztoku či vzduchu. Těmito primárními redoxními ději se zahájí složitý sled radikálových reakcí, které za významné účasti molekulárního kyslíku postupně přemění přítomné organické sloučeniny přes mnoho meziproduktů až na konečné anorganické produkty. Protože některé z meziproduktů mohou být vysoce toxické, je důležité zkoumat kinetiku a mechanismus oxidativních degradačních procesů a při tom analyzovat chemické složení a testovat toxicitu ozářených reakčních směsí. Takovéto studie musejí předcházet praktickému použití fotokatalýzy ve všech oblastech, kde by případný vznik toxicity mohl ohrozit lidské zdraví nebo mít negativní následky pro životní prostředí.

V letech 2013–2015 byl řešen tříletý evropský projekt 4G PHOTOCAT (projekt 7. RP s názvem „Fourth generation photocatalysts: nano-engineered composites for water decontamination in low-cost paintable photoreactors“; r. č. NMP3-SL-2012-No. 309636; http://www.4g-photocat.eu), v jehož rámci spolupracovalo 7 akademických pracovišť a 3 průmysloví partneři z 5 států Evropské unie (Německa, Velké Británie, České republiky, Polska a Finska) a 2 asijských zemí (Malajsie a Vietnamu) na vývoji nové generace levných fotokatalyzátorů použitelných pro čištění vody. Přitom se rozvinula úzká česko-vietnamská spolupráce mezi Ústavem fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR a Vietnamskou národní zemědělskou univerzitou v Hanoji. Cílem bylo praktické využití nově vyvinutých postupů solární fotokatalýzy, konkrétně labyrintového fotoreaktoru a plovoucího fotokatalyzátoru, pro detoxikaci pitné, resp. zemědělské užitkové vody ve venkovských oblastech Vietnamu, které jsou v důsledku vietnamské války dosud zamořeny dioxinem. V úspěšné spolupráci se pokračuje v rámci bilaterálního mobilitního projektu Akademie věd České republiky a interního grantu ÚFCH JH.

Schéma fotokatalytické degradace organických látek na polovodičové částici působením ultrafialového záření.