Od Normanda Braise, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Běžný katalyzátor na bázi oxidu titaničitého: TiO2
V chemii je PCO urychlení fotoreakce za přítomnosti katalyzátoru. Při katalyzované fotolýze je světlo absorbováno adsorbovaným substrátem. Fotokatalytická aktivita závisí na schopnosti katalyzátoru vytvářet páry elektron-díra, které generují volné radikály (hydroxylové radikály: OH) schopné podstoupit oxidační reakce. Její pochopení bylo umožněno již od objevu elektrolýzy vody pomocí oxidu titaničitého. Komerční aplikace tohoto procesu se nazývá Advanced Oxidation Process (AOP) a používá se pro úpravu vody.
Dioxid titaničitý, zejména v anatasové formě, je fotokatalyzátorem pod ultrafialovým světlem. Nedávno bylo zjištěno, že oxid titaničitý, je-li obohacen o ionty dusíku nebo dopován oxidem kovů, jako je oxid wolframu, je rovněž fotokatalyzátorem pod viditelným a UV světlem. Silný oxidační potenciál kladných děr oxiduje vodu za vzniku hydroxylových radikálů. Může také přímo oxidovat kyslík nebo organické materiály. Oxid titaničitý se proto přidává do barev, cementů, oken, dlaždic nebo jiných výrobků pro sterilizační, dezodorační a protihnilobné vlastnosti a používá se také jako katalyzátor hydrolýzy.
Ačkoli tato technologie vypadá dokonale přenositelná na vzduch, existuje jeden hlavní praktický háček, který nedávno vyšel najevo: oxid titaničitý je „otráven“ oxidem křemičitým a jeho životnost je značně snížena. Po delších zkušenostech s touto technologií na vzduchu bylo zjištěno, že PCO se postupně rozkládá a ztrácí většinu svého oxidačního potenciálu během jednoho roku nebo méně.
Účinek oxidu křemičitého jako neutralizátoru oxidu titaničitého je dobře znám v průmyslu opalovacích krémů. Každý opalovací krém s fyzikálním blokátorem obsahuje oxid titaničitý kvůli jeho silné schopnosti pohlcovat UV záření, čímž zabraňuje pronikání UV záření na pokožku. Opalovací krémy určené pro kojence nebo osoby s citlivou pokožkou jsou často založeny na oxidu titaničitém a/nebo oxidu zinečnatém, protože tyto minerální blokátory UV záření méně pravděpodobně způsobují podráždění pokožky než chemické složky absorbující UV záření, jako je avobenzon.
Aby se však zabránilo vzniku karcinogenních radikálů na pokožce v důsledku aktivity fotokatalytické reakce, jsou částice oxidu titaničitého používané v opalovacích krémech záměrně potaženy oxidem křemičitým. Přídavek oxidu křemičitého účinně neutralizuje fotokatalytické vlastnosti oxidu titaničitého, takže opalovací krém je neškodný.
Protože se oxid křemičitý běžně vyskytuje v domácích aplikacích, jako jsou tmely a mnoho dalších materiálů, je oxid titaničitý PCO kontaminován oxidem křemičitým a během tří měsíců ztratí polovinu své aktivity. To znamená, že po 6 měsících klesne jeho účinnost na 50 %, po 9 měsících na 25 % a po roce pouze na 12,5 %. Poté přestane poskytovat odpovídající výkon jako zařízení na čištění vzduchu. To je hlavní důvod, proč seriózní společnosti nyní ustupují a dokonce odstupují od úžasných slibů běžného PCO na bázi oxidu titaničitého jako řešení pro odstranění zápachu.
Nová kobaltová fotokatalytická oxidace (Co-PCO)
Využití UV záření k dosažení čistého vzduchu a vodních zdrojů pomocí fotokatalytické oxidace je cílem vědců po celém světě(1,2,3) v posledních dvou desetiletích. Fotokatalýza je široce obecný termín, který se vztahuje na chemickou oxidační reakci umožněnou fotony aktivovaným katalyzátorem, v průmyslu čištění vzduchu běžně nazývaným PCO.
PCO katalyzátor se skládá z polovodiče na bázi oxidu kovů, obvykle oxidu titaničitého (TiO2), s energií pásmové mezery, která umožňuje absorpci ultrafialových fotonů za vzniku párů elektronových děr zvaných „aktivní místa“, které mohou iniciovat chemickou reakci. U PCO s oxidem titaničitým je energetická mezera pásu soustředěna na 360 nm fotonů, což je uprostřed rozsahu UV-A (315-400 nm). To je poměrně daleko od rozsahu UV-C běžných germicidních lamp, které vyzařují většinu své energie fotonů na vlnové délce 254 nm, a částečně to vysvětluje poněkud klamavou účinnost současných čističek vzduchu na bázi oxidu titaničitého PCO, které používají nízkotlaké rtuťové výbojky. Tato nízká účinnost je zodpovědná především za tvorbu nebezpečných vedlejších produktů, jako je formaldehyd. Další významnou překážkou pro zavedení skutečného PCO je jeho krátká životnost v důsledku otravy katalyzátoru oxidem křemičitým. Křemelina, která je hlavní složkou běžného písku, je všudypřítomná v našem každodenním prostředí. Siloxany byly identifikovány jako hlavní příčina deaktivace současných PCO(4). Vzhledem k tomu, že deaktivace snižuje počet dostupných aktivních míst, převládá neúplná oxidace, což podporuje vznik vedlejších produktů.
Základním účinkem přídavku oxidu kobaltnatého je posunutí energetické mezery pásu katalyzátoru směrem k fotonům s vyšší energií, které jsou blíže fotonům o vlnové délce 254 nm emitovaným nízkotlakými rtuťovými výbojkami. Díky schopnosti absorbovat vyšší energii poskytuje katalyzátor se zvýšeným obsahem kobaltu dostatečnou fotokatalytickou aktivitu k úplné oxidaci těkavých organických látek v domácnosti(5,6) a zabraňuje přechodné tvorbě formaldehydu, acetaldehydu a dalších neúplně oxidovaných vedlejších produktů. Stojí za zmínku, že aktivní pásmová mezera kobaltového katalyzátoru s vyšší energií je mnohem širší než vlastní oxid titaničitý a bylo zjištěno, že je téměř necitlivý na otravu oxidem křemičitým. Skutečné zkoušky neprokázaly žádný významný pokles aktivity kobaltového katalyzátoru po celém roce provozu
.