۲-۴-۵ نقش الکترون­ها و حفره­های تولید شده در اثر پرتوتابی در فتوکاتالیست
در واقع در یک نیمه­هادی با بازده کوانتومی بالا، الکترون­های تولید شده باید قادر باشند به­راحتی به سطح نفوذ کنند و در واکنش­هایی که در ماده جذب شده به فتوکاتالیست رخ می­دهد شرکت کنند.
مشکلاتی که در سر راه بارها برای رسیدن به سطح وجود دارد عبارتند از :

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

1. 1. ترکیب الکترون و حفره قبل از رسیدن به سطح

1. 1. عیوب سطحی

1. 1. نواقص شبکه­ ای در داخل نیمه­هادی

الکترون­هایی که موفق می­شوند خود را به سطح برسانند ابتدا برای احیای اکسیژن مصرف می­شوند (در
محلول­های آبی و گازی) و با تولید دیگر گونه­ های فعال از قبیل رادیکال­های سوپراکسید (O^2-) و یا O^– قادرند دیگر زنجیره­های رادیکالی از قبیل H₂O₂ و O₃ را فعال سازند. دانشمندان بر این باورند که خاصیت فتوکاتالیست اکسید تیتانیوم در غیاب ماده­ای که جاذب^[۲۶] الکترون باشد و از ترکیب مجدد الکترون و حفره جلوگیری کند، متوقف می­گردد. این خود یکی از دلایلی است که خاصیت فتوکاتالیستی محدود در فاز روتایل را توجیه می­ کند. زیرا تراز هدایت این فاز کم­تر از مقداری است که برای احیای اکسیژن لازم است و درنتیجه دیگر الکترون­های تولید شده جذب اکسیژن نمی­گردند و رادیکال­های آزاد تشکیل نمی­ شود. حفره­های ایجاد شده در فتوکاتالیست که دارای بار مثبت می­باشند اگر موفق شوند به سطح نفوذ کنند قادرند مواد آلی با پتانسیل اکسیداسیون کم­تر را اکسید کنند و یا با آب در تماس با فتوکاتالیست وارد واکنش شده و رادیکال­های فعال هیدروکسیل را که عمر کوتاهی دارند، تولید کنند. آب به صورت مولکولی و تجزیه شده جذب سطح فتوکاتالیست می­گردد و مسیری جهت انتقال حفره، جهت اکسید مواد دیگر مهیا می­ کند. آب تجزیه شده علاوه بر مزیت ذکر شده به علت دارا بودن یون­های هیدروکسیل که قادرند ترکیبات آلی را اکسید کنند مناسب­تر می­باشد [۳۸].
۲-۴-۶ اکسیداسیون فتوکاتالیستی ترکیبات آلی
هدف اصلی فتوکاتالیست­ها تجزیه مواد آلی است که برای سلامت انسان و محیط زیست مضر هستند. اکسیداسیون فتوکاتالیستی قادر است جایگزین روش­های مرسوم گند­زدایی شود. باتوجه به این­که این روش­ها دارای محصولات جانبی سرطان­زا و خطرناک می­باشند تحقق این امر کمک شایانی به سلامت انسان خواهد کرد. برخی مواد آلی که به کمک فتوکاتالیست به گاز دی­اکسید کربن و مواد بی اثر معدنی تجزیه شده ­اند عبارتند از: الکل­ها، پلیمرها، رنگ­ها، باکتری­ ها، ویروس­ها، کپک­ها، سلول­های سرطانی و هاگ­ها.
علاوه بر قدرت بالای اکسیداسیون فتوکاتالیست­ها از دیگر مزیت آن­ها قابلیت شکل­دهی آن به صورت فیلم نازک و پودر است که این امر کمک شایانی در استفاده از آن­ها در تصفیه هوا و فاضلاب­ها می­نماید. فتوکاتالیست های نانویی با بازده بالا به راحتی قابل تولید می­باشند و می­توان آن­ها را در داخل محلول و یا به صورت تارهای بافت شده جهت تماس با مواد آلی مورد استفاده قرار داد. فیلم­های تولید شده از فتوکاتالیست­ها این مزیت را دارند که دیگر نیازی به جداسازی مواد آلی تجزیه شده و کاتالیست­ها وجود ندارد. در نتیجه استفاده از آن­ها در صنایع تصفیه آب و تجزیه باکتری­ ها سودمند واقع خواهد شد [۲].
۲-۵ پارامترهای موثر بر افزایش خاصیت فتوکاتالیستی TiO₂ در نور مرئی
اکسید تیتانیوم به­عنوان مهم­ترین فتوکاتالیست با دو محدودیت جدی مواجه است، نرخ بازترکیب بالای بارهای تولید شده با نور و نیز نوار ممنوعه عریض، که تحقیقات بسیاری برای رفع این دو نقیصه انجام گرفته است [۴۱-۳۹]. یکی از این کارها، تغییر خواص الکتریکی فتوکاتالیست برای گسترش محدوده جذب تا منطقه مرئی و کاهش نرخ بازترکیب جفت الکترون-حفره­ها است [۴۲]. قابل ذکر است در تغییر این عامل جواب­­های متفاوتی بدست آمده و نتایج حاصل از آن قابل تعمیم نیست.
در یک دید کلی سه پارامتر اساسی که بر فعالیت هر نوع فتوکاتالیستی از جمله اکسید تیتانیوم تاثیرگذار است عبارتند از: ثابت و طیف جذب نوری فتوکاتالیست، سرعت واکنش اکسیداسیون و احیا که در سطح رخ می­دهد و سرعت ترکیب الکترون و حفره که در داخل نیمه­هادی انجام می­ شود. در یک نگاه دقیق­تر فاکتورهای متعددی از قبیل گاف انرژی، سطح ویژه، تخلخل، ساختار کریستالی، میزان تبلور، خلوص، دانسیته گروه ­های هیدروکسیل در روی سطح، سرعت انتقال الکترون و حفره، اسیدیته سطح و پراکندگی اندازه دانه که در ارتباط تنگاتنگ با پارامترهای بالا هستند نیز موثرند. هر یک از این عوامل توسط برخی از عناصر به­عنوان ناخالصی و روش­های تولید مکانیکی و شیمیایی قابل ارتقا هستند. البته بهینه کردن برخی از این پارامتر ها تاثیر گذارتر می­باشند.
برای گسترش محدوده جذب تا منطقه مرئی دو روش کلی وجود دارد: ۱) کاهش درصد استوکیومتری اکسیژن نسبت به تیتانیوم که این کار با تغییر عوامل سنتزی میسر است. ۲) افزایش غلظت تعادلی جای خالی اکسیژن در شبکه تیتانیا که به فعالیت در محدوده مرئی کمک می­ کند [۴۳].
این روش­ها برای بالا بردن زمان بازترکیب الکترون- حفره و به تاخیر انداختن این فرایند مورد استفاده قرار
می گیرند. روش اول، وارد کردن ترازهایی به محدوده باند ممنوعه تیتانیا است که به جذب در محدوده مرئی کمک می­ کند. این کار عموما با آلاییدن یون­های فلزی به شبکه بلوری تیتانیا صورت می­گیرد [۴۱].
۲-۵-۱ شکل و اندازه ذرات
شکل و اندازه ذرات با توجه به اثری که بر روی سطح ویژه پودر دارند خاصیت فتوکاتالیستی تیتانیا را شدیداً تحت تاثیر قرار می­ دهند. به این دلیل محققان به فکر تهیه پودرهای متخلخل با سطح ویژه بسیار بالا افتادند. پس از ساخت پودرهای مزوپور^[۲۷] برای اولین بار توسط Ying با بهره گرفتن از یک سورفکتانت فسفری، روش­های مختلفی برای ساخت ذرات مزوپور ابداع شده است [۴۴]. پودرهای مزوپور پودرهایی هستند که تخلخل­هایی در ابعاد حدود nm10 دارند. از خواص این پودرها سطح ویژه بالا و توزیع اندازه حفره­های درون ذرات است [۴۵]. طبق نتایج بدست آمده توسط Koshtiani و همکارانش تهیه پودرهای مزوپور خواص فتوکاتالیستی را تا چندین برابر افزایش می­دهد [۴۶].
اخیرا سعی شده است تا اندازه دانه اکسید تیتانیوم تا حد­امکان جهت کاربردهای فتوکاتالیستی بهینه گردد. دلیل این تلاش به ارتباط تنگاتنگ اندازه دانه و پارامترهای تاثیرگذار بر خاصیت فتوکاتالیستی از قبیل سطح ویژه
(به­ طور مستقیم) و ترکیب الکترون و حفره، پتانسیل ردوکس، ساختار کریستالی و حتی خصوصیات جذب
(به­ طور غیر مستقیم) برمی­گردد. اندازه دانه آناتاز با توجه به نتایج تست فتوکاتالیستی مواد آلی در حدود چند نانومتر گزارش شده است. به عنوان یک قانون کلی اکتیویته اکسید تیتانیوم با کاهش اندازه دانه تا ۱۰ الی ۱۵ نانومتر افزایش می­یابد. اما با کوچک­تر شدن اندازه دانه تا ۶ الی ۹ نانومتر کاهش اندکی در اکتیویته فتوکاتالیست مشاهده می­گردد. هنگامی­که اندازه دانه کوچک می­ شود به­علت کوتاه شدن فاصله و مسیر حرکت الکترون و حفره به سطح ، ترکیب مجدد آن­ها کاهش می­یابد و همزمان سطح ویژه نیز افزایش می­یابد که به نفع خاصیت فتوکاتالیستی است. در واقع با افزایش سطح ویژه نقاط اکتیو افزایش می­یابند و الکترون و حفره­هایی که به سطح می­رسند به­سرعت با ماده در تماس با فتوکاتالیست وارد واکنش می­شوند. اما با کاهش بیش­تر اندازه دانه (اندازه کوانتومی) به دلیل نزدیک شدن الکترون و حفره به یکدیگر، ترکیب الکترون-حفره در سطح غالب می­گردد. در نتیجه اندازه بحرانی اکسید تیتانیوم، اندازه­ای است که در عین حال که بیش­ترین سطح ویژه را داراست به اندازه­ای بزرگ باشد تا از پدیده کوانتوم (ترکیب الکترون و حفره) جلوگیری کند [۴۷].
۲-۵-۲ ساختار کریستالی
بهینه­سازی فازهای اکسید تیتانیوم نیز از توجه زیادی در بهینه­سازی اکتیویته فتوکاتالیست برخوردار است. همان­طور که می­دانیم اکسید تیتانیوم سه ساختار پلی مورفیک، روتایل، آناتاز و بروکیت دارد. در میان این سه، روتایل تنها فاز پایدار است در حالی­که دو فاز دیگر به طور برگشت ناپذیر با حرارت دادن به روتایل تبدیل
می­شوند. بروکیت که کم­تر مورد مطالعه قرار گرفته است خواصی مشابه با روتایل دارد و خاصیت فتوکاتالیستی آن کم­تر از آناتاز گزارش شده است. باند ممنوعه بروکیت در حدود ۴/۳ الکترون ولت گزارش شده است. به­علاوه بروکیت به ندرت در غلظت­های زیاد دیده شده است در نتیجه اغلب فازهای آناتاز و روتایل و فازهای حد واسط آن­ها مورد مطالعه قرار می­گیرند. تعادل فازی بین آناتاز و روتایل برقرار نمی­گردد در نتیجه هیچ دمای خاصی که در آن این تحول فازی صورت پذیرد یافت نمی­ شود. این امر به­ دلیل روش­های تولید، اتمسفر واکنش، مقدار ناخالصی، اندازه دانه و جاهای خالی اکسیژن در شبکه اکسید تیتانیوم است. هر دو ساختار بلوری آناتاز و روتایل دارای ساختار تتراگونال می­باشد. تفاوت این دو فاز در اتصال اکتاهدرال­های آن­ها به یکدیگر است که این امر موجب می­گردد این دو فاز در پارامترهایی چون مورفولوژی ذرات و به تبع آن خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی داشته باشند. این تفاوت­ها عبارتند از سطح ویژه، جدایش سطحی بارها و ترکیب آن­ها تشکیل واسطه ها، جذب و دفع اکسیژن در اثر تابش و جذب گروه های آبی و هیدروکسیل می­باشند. تحقیقات گسترده حاکی از برتری فاز آناتاز به­ دلیل باند ممنوعه مناسب آن است که از ترکیب الکترون و حفره در روی سطح جلوگیری می­ کند و سطح ویژه بالاتر آناتاز به­ دلیل اندازه دانه کوچک­تر آن می­باشد. در نتیجه فاز فوتواکتیو اکسید تیتانیا آناتاز بوده و تا حد امکان از تشکیل روتایل جلوگیری می­گردد. همچنین این امکان وجود دارد با مخلوطی از فازهای بهینه شده آناتاز و روتایل بازده فتوکاتالیست افزایش یابد که این ویژگی به­ دلیل کوچک­تر بودن باند ممنوعه روتایل نسبت به آناتاز است و در واقع الکترون­های ایجاد شده در آناتاز از باند رسانش آناتاز به باند رسانش روتایل نقل مکان می­ کنند و تاخیری در ترکیب مجدد الکترون و حفره­ها پدید می ­آید [۴۸].
۲-۵-۳ بمباران یونی
بمباران یونی فرآیندی است که در طی آن یون­ها با انرژی بالا داخل سطح ماده پایه نفوذ داده می­شوند و یا اتم­های داخل سطح ماده وارد واکنش می­شوند. کاربرد مهم بمباران یونی در عملیات دوپ کردن نیمه­هادی­ها جهت ایجاد حامل­های بار و تغییر ساختمان الکترونی آن­ها می­باشد. مزیت این روش این است که به­ صورت انتخابی می­توان خواص حجمی نیمه­هادی را در مناطق مورد نظر و از پیش تعیین شده تغییر داد، برخلاف تکنیک­های شیمیایی که خواص سطحی را تحت تاثیر قرار می­ دهند. تکنیک­های بمباران یونی برای دوپ کردن اکسید تیتانیوم با یون­های فلزاتی از قبیلK ،Hg ،Al ، Mg، Li، Ni، Fe، Mn، V، Ca، Ti، Bi، Pb، W، Ba، Sb، Sn، Cd، Rh، Ru، Mo، Nb، Zn، Sr، Ge، Zr و Cr به کار گرفته شده است. بیش­تر این یون­ها خواص فوتوولتاییک مطلوب­تری نسبت به اکسید تیتانیوم خالص با توجه به کاهش در طیف جذب نشان داده­اند و عناصری چون کروم و وانادیم انتقال پیک جذب به سمت امواج مرئی به صورت جزئی نشان دادند. این نتایج حاکی از آن بود که نه تنها بمباران یونی بلکه بین­نشین یا جانشین یون نفوذی با شبکه اصلی باعث انتقال پیک جذب به سمت امواج مرئی می­گردد. بیش­ترین یونی که به وسیله بمباران یونی به داخل شبکه اکسید تیتانیوم نفوذ داده شده است یون کروم با غلظتی حدود ۲ الی ۲۶ درصد مولی با شتاب دهنده­ای با توان ۱۵۰ کیلو ولت بوده است. پیک جذب این نمونه­ها، با افزایش غلظت یون نفوذی به سمت طول موج­های بلندتر و در حدود ۵۵۰ نانومتر انتقال یافته بود [۴۹]. موفقیت­های اخیر تکنیک بمباران یونی در زمینه فتوکاتالیست­های امواج مرئی انقلاب جدید در این صنعت را به دنبال خواهد داشت. هزینه­ های گزاف بمباران یونی تنها محدودیت این روش برای صنعتی شدن آن است.
۲-۵-۴ تکنیک های ترکیب
ترکیب بین مرزهای دو نیمه­هادی هنگامی رخ می­دهد که انتقال بار از یک ذره به ذره دیگر به­ دلیل اختلاف طبیعی در سطح ترازهای انرژی آن­ها صورت گیرد. ترکیب نیمه­هادی­ها قادر است ماکزیمم جذب را به­سمت امواج مرئی انتقال دهد. تاکنون بیش­ترین و معمول­ترین ترکیب نیمه­هادی­ها در دو سیستم TiO₂-CdS و ZnO-CdS صورت پذیرفته است. سولفید کادمیم با باند ممنوعه ۵/۲ الکترون ولت یکی از معمول­ترین ترکیباتی است که به­ دلیل باند ممنوعه مناسب و مکان مناسب ترازهای ظرفیت و رسانش آن در نیمه­هادی­های کوپل شده مورد استفاده قرار می­گیرد. باتوجه به سولفید بودن ترکیب، تراز رسانش آن از اکثر اکسیدها، منفی­تر و تراز ظرفیت آن به­قدر کافی انرژی دارد تا در واکنش­های اکسیداسیون شرکت نماید. CdS به تنهایی به مقدار بسیار کم و ناچیزی از خود خاصیت فوتواکتیو نشان می­دهد زیرا بسیار ناپایدار و سرعت ترکیب الکترون و حفره بسیار زیاد است. تحقیقات نشان می­دهد با بین­نشینی یا جانشینی بین ذرات در ترکیبات نانو کامپوزیت CdS-TiO₂ این ترکیبات قادرند با بازده مناسبی تحت نور مرئی با طول موج کم­تر از ۴۹۵ نانومتر ترکیبات آلی از قبیل فنول و متیلن آبی را تجزیه نمایند. هنگامی­که CdS با پرتویی با طول موج ۴۹۵ نانومتر برانگیخته شود، الکترون و حفره تشکیل می­گردند و الکترون تولید شده به سرعت به داخل تراز رسانش TiO₂ که به اندازه ۵/۰ الکترون ولت مثبت­تر از تراز CdS است انتقال می­یابد. حفره ایجاد شده که معمولا در CdS با اندازه کوانتومی تولید می­گردد، قادر است به سطح ذره مهاجرت کند و در واکنش های اکسیداسیونی که در تماس با مواد آلی جذب شده توسط ذره رخ می­دهد شرکت نماید. الکترون­هایی که به تراز رسانش TiO₂ منتقل شده ­اند دیگر مانعی به نام حفره ندارند و به­راحتی با توجه به انرژی­ آن­ها در واکنش­های احیا شرکت می­ کنند لازم به ذکر است قسمتی از انرژی الکترون در حال انتقال از باند رسانش CdS به باند رسانش TiO₂ کاهش یافته است. چند خصوصیت در واکنش های فتوکاتالیست­های جفت شده باید تحت کنترل قرار گیرد. ابتدا اندازه نانو ذرات باید با دقت زیاد کنترل گردد. دوم این­که CdS حساس به نور است و اگر در مجاورت اکسیژن به آن پرتو تابانیده شود تجزیه خواهد شد. با ترکیب اکسید تیتانیوم با سولفید کادمیم از تجزیه CdS به Cd²⁺ جلوگیری خواهد شد. اما از معایب بزرگ سیستم TiO₂-CdS که از پیشرفت آن، با وجود نکات مثبت آن کاسته است سمی بودن و سرطان­زا بودن این سیستم می­باشد. در نتیجه در سیستم­هایی که با محیط زیست و سلامت انسان در ارتباط هستند نمی­ توان از این سیستم به­عنوان کاتالیست استفاده کرد [۳۴].
۲-۵-۵ اضافه کردن یون­های غیر فلزی
شاید بیش­ترین تلاشی که در جهت انتقال ماکزیمم جذب فتوکاتالیست­ها به­سمت امواج مرئی صورت گرفته است جایگزینی یون­های اکسیژن TiO₂ با یون­های غیر فلزی چون نیتروژن، کربن، گوگرد و بور بوده است. از بین این عناصر نیتروژن با بیش­ترین تعداد مقالات و تحقیقات انجام شده پیشتاز است و تکنیک­های ساختی چون اسپری حرارتی، لایه نشانی (اسپاترینگ)، لایه نشانی با لیزر، سل-ژل و روش­های مکانیکی شیمیایی در تهیه کامپوزیت­های نیتروژن– اکسید تیتانیوم گزارش شده ­اند. اکسید تیتانیوم آلاییده شده با نیتروژن
(TiO₂-xNx) با تعویض اکسیژن­های داخل ساختار اکسید تیتانیوم با نیتروژن شکل می­گیرد. باید اشاره کرد تاکنون دلیل این­که آیا خاصیت جذب نور مرئی این کامپوزیت، به­ دلیل نیتروژن­های جایگزین شده است و یا به دلیل جاهای خالی اکسیژن تشکیل شده در ساختار اکسید تیتانیوم است، هنوز به­ طور دقیق مشخص نشده است. تحقیقات نشان می­دهد باند ممنوعه اکسید تیتانیوم در اثر افزودن نیتروژن به ۹/۲ الی ۷/۲ الکترون ولت کاهش می­یابد [۵۰].
۲-۵-۶ آلاییدن نیمه­هادی ها با انواع یون­های فلزی
دلیل اضافه کردن یون فلزی به تیتانیا و حتی سایر نیمه­هادی­ها را می­توان در سه عامل خلاصه نمود:
۱) کاهش باند ممنوعه. ۲) جدایش بارها و در نتیجه کاهش نرخ بازترکیب الکترون-حفره. ۳) با ارائه مکان­های عیب به عنوان مراکز سطحی فعال، در واکنش شرکت می­­کنند. عموماً سه دسته مواد فلزی، فلزات قلیایی خاکی، فلزات واسطه، لانتانیدها و فلزهای خاکی نادر، به نیمه­هادی­ها اضافه می­شوند. هر یک از این گروه­ ها تاثیر متفاوتی دارند. جدول ۲-۳ فهرستی از یون­های فلزی که به اکسید تیتانیم افزوده شده را خلاصه کرده است [۴۳،۳۹]. یون­های فلزی واسطه به­عنوان افزودنی منجر به جذب بیش­تر در محدوده مرئی می­ شود. اضافه کردن برخی یون­های فلزی هم­چون بیسموت به جدایش موثر بارها و جلوگیری از بازترکیب الکترون-حفره کمک
می­ کند و باعث افزایش فعالیت فتوکاتالیستی تیتانیا می­ شود. در عین حال گزارش­هایی نیز وجود دارد که از تاثیر منفی برخی یون­های فلزی در فعالیت فتوکاتالیستی مواد حاکی است، این یون­ها باعث ایجاد عیوبی در ساختار
می­شوند که به عنوان عامل بازترکیب الکترون- حفره عمل می­ کنند. کاهش بارهای شرکت­کننده در واکنش اکسایش- کاهش، باعث کاهش رادیکال­های فعال و در نتیجه کاهش فعالیت فتوکاتالیستی می­گردد. بدین ترتیب نوع و غلظت افزودنی، روش افزودن یون­ها و نیز عملیات حرارتی در کیفیت و تاثیر یون نقش مهمی ایفا می­ کند [۵۱]. دوپ کردن اکسید تیتانیوم با فلزات واسطه و نجیب از کاربرد و توجه بیش­تری برخوردار بوده است. فلزات نجیب مثل Cu، Ni، Rh، Pd، Au، Pt و Ag برای افزایش فعالیت فتوکاتالیستی بسیار موثر هستند [۵۶-۵۲]. سطح فرمی فلزات نجیب پایین­تر از سطح فرمی تیتانیا می­باشد، الکترون­های تهییج شده در اثر تابش فوتون­ها، می­توانند از باند هدایت TiO₂ به باند هدایت ذرات فلزی رسوب داده شده در سطح TiO₂ انتقال داده شوند، در حالی­که حفره­های تولید شده در باند ظرفیت TiO₂ باقی می­مانند. این فرایند احتمال ترکیب مجدد جفت الکترون- حفره را کاهش داده و منجر به افزایش واکنش­های فتوکاتالیستی می­گردد [۵۷].
دوپ کردن یون فلزات قلیایی انتقالی و یون فلزات کمیاب خاکی نیز جهت افزایش خواص فتوکاتالیستی مورد بررسی قرار داده شده ­اند [۶۰-۵۸]. مشخص شده است دوپ کردن توسط فلزات نجیب با غلظت کم­تر از ۲ درصد مولی خواص الکترونی ، ساختاری و گرمایی اکسید تیتانیوم را تحت تاثیر قرار می­دهد [۶۰]. همان­طور که ذکر شد، آزمایشات قبلی محققان نشان می­دهد دوپ کردن تیتانیوم با لانتانیدها باعث افزایش خواص فوتوکاتالیستی اکسید تیتانیوم می­گردد. در این بین شدت تاثیر عناصر لانتانیدها به­ترتیب Pr >Er >Ce >Sm >Gd>Nd >La و عناصر نجیب به قرار Pt >Fe >Ni >Au >Pd >Cr >Ag می­باشد. متغیرها و محدودیت­های زیادی در جهت ایجاد لیستی دقیق و صحیح شامل عناصر تاثیرگذار بر خاصیت فتوکاتالیستی اکسید تیتانیوم وجود دارند که از آن جمله می­­توان به دستورالعمل آماده سازی فتوکاتالیست، اندازه دانه و ماده­ای که جهت آزمایشات فتوکاتالیستی استفاده می­گردد نام برد [۶۲،۶۱]. با افزایش غلظت فلزات از یک حدی به بعد بازده فوتوکاتالیستی کاهش می­یابد زیرا فلزات در این حالت به­عنوان مکان­هایی برای ترکیب الکترون و حفره عمل می­ کنند. غلظت بحرانی در فلزات اکثرا بین ۸/۰ الی ۲/۱ درصد مولی گزارش شده است این در حالی است که در بعضی از آن­ها در هر غلظتی که مورد استفاده قرار گیرند باعث کاهش بازده فتوکاتالیست می­گردند. به­عنوان مثال در صنایع رنگدانه­ای از Al³⁺ برای کاهش خاصیت فتوکاتالیستی TiO₂ استفاده می­گردد. باید اشاره کرد بعضی از محققان بر پایه آزمایشات اسپکتروسکوپی (مرئی-فرابنفش) کاهش باند ممنوعه اکسید تیتانیوم را در اثر دوپ کردن آن با یون­های فلزات گزارش کرده ­اند. این نظریه در حال بحث و تبادل نظر قرار دارد زیرا یون­های فلزات در روش­هایی چون هم رسوبی، سل-ژل، مایسل معکوس معمولا خواص سطحی ذرات TiO₂ را مورد تاثیر قرار می­ دهند و قادر به تغییر خواص حجمی و ذاتی آن نمی­باشند. از طرف دیگر فرایند فتوکاتالیست در سطح ذرات رخ می­دهد و خواص سطحی نیز همانند خواص حجمی مورد اهمیت می­باشند. از آن­جایی که یون­های فلزی با نانو ذرات TiO₂ با اندازه قطر ۱۰ و ۲۰ نانومتر دوپ می­شوند نظریه ­هایی وجود دارد که یون­های Ti⁴⁺ با یون­های کوچک­تری جایگزین شده و با هم­پوشانی اوربیتال­ها باند ممنوعه اکسید تیتانیوم کوچک­تر می­گردد [۶۲،۶۱].
جدول۲-۳: یون­های فلزی افزوده شده به اکسید تیتانیوم و اثر آن­ها [۵۱].

یون فلزی
اثر و کاربرد