Por Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Catalizador base de óxido de titanio común: TiO2
En química, la OCP es la aceleración de una fotorreacción en presencia de un catalizador. En la fotólisis catalizada, la luz es absorbida por un sustrato adsorbido. La actividad fotocatalítica depende de la capacidad del catalizador para crear pares electrón-hueco, que generan radicales libres (radicales hidroxilo: OH) capaces de sufrir reacciones de oxidación. Su comprensión ha sido posible desde el descubrimiento de la electrólisis del agua mediante el dióxido de titanio. La aplicación comercial del proceso se denomina Proceso de Oxidación Avanzada (AOP) y se utiliza para el tratamiento del agua.
El dióxido de titanio, particularmente en la forma anatasa, es un fotocatalizador bajo luz ultravioleta. Recientemente se ha descubierto que el dióxido de titanio, cuando se le añaden iones de nitrógeno, o está dopado con óxido metálico como el trióxido de tungsteno, es también un fotocatalizador bajo luz visible y ultravioleta. El fuerte potencial oxidativo de los agujeros positivos oxida el agua para crear radicales hidroxilos. También puede oxidar directamente el oxígeno o los materiales orgánicos. Así, el dióxido de titanio se añade a pinturas, cementos, ventanas, azulejos u otros productos para obtener propiedades esterilizantes, desodorizantes y antiincrustantes, y también se utiliza como catalizador de hidrólisis.
Aunque esta tecnología parece perfectamente transponible al aire, hay una advertencia práctica principal que ha salido a la luz recientemente: el óxido de titanio se ve «envenenado» por la sílice y su vida útil se ve gravemente afectada. Tras una experiencia de más tiempo de esta tecnología en el aire, se observó que el OCP se descomponía gradualmente y perdía la mayor parte de su potencial oxidativo en un año o menos.
El efecto de la sílice como neutralizador del óxido de titanio es bien conocido en la industria de los protectores solares. Todos los protectores solares con bloqueador físico contienen dióxido de titanio debido a su gran capacidad de absorción de la luz ultravioleta, impidiendo así que ésta llegue a la piel. Los protectores solares diseñados para bebés o personas con piel sensible suelen basarse en el dióxido de titanio y/o el óxido de zinc, ya que es menos probable que estos bloqueadores minerales de los rayos UV causen irritación en la piel que los ingredientes químicos absorbentes de los rayos UV, como la avobenzona.
Sin embargo, para evitar la creación de radicales cancerígenos en la piel debido a la actividad de la reacción fotocatalítica, las partículas de dióxido de titanio utilizadas en los protectores solares se recubren intencionadamente con sílice. La adición de sílice neutraliza eficazmente las propiedades fotocatalíticas del óxido de titanio, haciendo que el protector solar sea inofensivo.
Debido a que la sílice se encuentra comúnmente en aplicaciones domésticas como el calafateo y muchos otros materiales, el óxido de titanio PCO está contaminado con sílice y perderá la mitad de su actividad en tres meses. Esto significa que, al cabo de 6 meses, su eficacia será del 50%, al cabo de 9 meses, del 25%, y al cabo de un año, del 12,5%. Entonces dejará de ofrecer un rendimiento adecuado como dispositivo de purificación del aire. Esta es la razón principal por la que las empresas serias están dando un paso atrás e incluso abandonando las maravillosas promesas del PCO común basado en óxido de titanio como solución para la eliminación de olores.
La nueva oxidación fotocatalítica de cobalto (Co-PCO)
Utilizar la luz ultravioleta para conseguir recursos de aire y agua limpios a través de la oxidación fotocatalítica es un objetivo de los científicos de todo el mundo(1,2,3) durante las últimas dos décadas. La fotocatálisis es un término ampliamente genérico que se aplica a la reacción de oxidación química posibilitada por un catalizador activado por fotones, comúnmente llamado PCO en la industria de la purificación del aire.
El catalizador PCO consiste en un semiconductor de óxido metálico, generalmente óxido de titanio (TiO2), con una energía de brecha de banda que permite la absorción de fotones ultravioleta para generar pares de huecos de electrones llamados «sitios activos» que pueden iniciar la reacción química. En el caso del OPC de óxido de titanio, la banda de energía se centra en los fotones de 360 nm, que se encuentran en el centro de la gama UV-A (315-400 nm). Esto está bastante alejado del rango UV-C de las lámparas germicidas comunes que emiten la mayor parte de su energía fotónica a una longitud de onda de 254 nm y, como tal, explica en parte la eficiencia bastante engañosa de los actuales purificadores de aire PCO basados en óxido de titanio que utilizan lámparas de mercurio de baja presión. Esta baja eficiencia es la principal responsable de la formación de subproductos peligrosos como el formaldehído. Otro importante obstáculo para la aplicación del PCO actual es su corta vida útil debido al envenenamiento por sílice del catalizador. El sílice, que es el principal constituyente de la arena común, está omnipresente en nuestro entorno cotidiano. Los siloxanos han sido identificados como la causa principal de la desactivación del OCP actual(4). A medida que la desactivación reduce el número de sitios activos disponibles, la oxidación incompleta se vuelve prevalente, promoviendo la producción de subproductos.
El efecto fundamental de la adición de óxido de cobalto es desplazar la brecha de banda de energía del catalizador hacia fotones de mayor energía más cercanos a los fotones de 254 nm emitidos por las lámparas de mercurio de baja presión. Con una capacidad de absorción a mayor energía, el catalizador mejorado con cobalto proporciona suficiente actividad fotocatalítica para oxidar completamente los COV domésticos(5,6) y evitar la formación transitoria de formaldehído, acetaldehído y otros subproductos incompletamente oxidados. Cabe destacar que la brecha de banda activa de mayor energía del catalizador de cobalto es mucho más amplia que la del óxido de titanio real y se ha comprobado que es casi insensible a la intoxicación por sílice. Las pruebas reales no han mostrado una disminución significativa de la actividad del catalizador de cobalto después de un año completo de servicio.