Tách nước bằng ánh sáng: quang xúc tác TiO₂
Chiếu UV vào màng TiO₂ trong nước và quan sát electron cùng lỗ trống tạo H₂ và O₂ — quang hợp nhân tạo.
Mục tiêu
Lần theo chuỗi photon → cặp e⁻–h⁺ → H₂/O₂ và đánh giá vì sao TiO₂ cần UV thay vì ánh sáng khả kiến.
Dụng cụ và hoá chất
Màng hoặc bột TiO₂ (rutile hay anatase), nước với ít NaOH hoặc chất điện ly, đèn UV (~365 nm), ống thu khí H₂ và O₂, kính bảo hộ chống UV.
Cách làm
- Bắt đầu với đèn tắt và xác nhận không khí nào thoát ra trên TiO₂ trong bóng tối.
- Bật đèn UV và lần theo các cặp e⁻–h⁺ tới vị trí khử (H₂) và oxi hoá (O₂).
- So sánh thể tích bọt khí thu được: H₂ kì vọng gấp khoảng hai lần O₂.
- Bàn xem photon nào có tác dụng: TiO₂ anatase có Eg ≈ 3,2 eV nên chỉ hấp thụ λ ≲ 390 nm.
Điều cần quan sát
- Khí chỉ thoát ra dưới UV: trong bóng tối bán dẫn đứng yên vì không có cặp e⁻–h⁺.
- Thể tích H₂ khoảng gấp đôi O₂, khớp với tỉ lệ 2:1 của 2 H₂O → 2 H₂ + O₂.
Giải thích
Photon có hν ≥ Eg đẩy electron lên dải dẫn, để lại lỗ trống ở dải hoá trị. Electron dải dẫn khử H⁺ thành H₂ (2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂) còn lỗ trống dải hoá trị oxi hoá nước thành O₂ (4 h⁺ + 2 H₂O → O₂ + 4 H⁺). Tách nước cần ΔG = +237 kJ/mol (≈1,23 V mỗi electron), nên mép dải của xúc tác phải ôm lấy mức oxi hoá–khử H⁺/H₂ và O₂/H₂O — TiO₂ làm được, nhưng chỉ dưới UV; đó là lý do xúc tác quang dùng ánh sáng khả kiến vẫn là biên nghiên cứu.
Lịch sử và bối cảnh
Nhà hoá học liên quan
Chủ đề liên quan
Thí nghiệm ảo: một mô hình đơn giản hoá để xây dựng trực giác. Nó không thay thế thực hành thật và huấn luyện an toàn; không tự làm lại tại nhà khi không có người hướng dẫn.