Par Normand Brais, ing., M.A.Sc., Ph.D.
Catalyseur commun à base d’oxyde de titane : TiO2
En chimie, le PCO est l’accélération d’une photoréaction en présence d’un catalyseur. Dans la photolyse catalysée, la lumière est absorbée par un substrat adsorbé. L’activité photocatalytique dépend de la capacité du catalyseur à créer des paires électron-trou, qui génèrent des radicaux libres (radicaux hydroxyles : OH) capables de subir des réactions d’oxydation. Sa compréhension a été rendue possible depuis la découverte de l’électrolyse de l’eau au moyen du dioxyde de titane. L’application commerciale de ce procédé est appelée Advanced Oxidation Process (AOP) et est utilisée pour le traitement de l’eau.
Le dioxyde de titane, notamment sous la forme anatase, est un photocatalyseur sous la lumière ultraviolette. Récemment, il a été constaté que le dioxyde de titane, lorsqu’il est dopé avec des ions d’azote, ou dopé avec un oxyde métallique comme le trioxyde de tungstène, est également un photocatalyseur sous la lumière visible et UV. Le fort potentiel oxydant des trous positifs oxyde l’eau pour créer des radicaux hydroxyle. Il peut également oxyder directement l’oxygène ou les matières organiques. Le dioxyde de titane est donc ajouté aux peintures, aux ciments, aux fenêtres, aux tuiles ou à d’autres produits pour leurs propriétés stérilisantes, désodorisantes et antisalissures, et il est également utilisé comme catalyseur d’hydrolyse.
Bien que cette technologie semble parfaitement transposable à l’air, il y a une mise en garde pratique principale qui est apparue récemment : l’oxyde de titane est « empoisonné » par la silice et sa durée de vie utile est fortement réduite. Après une expérience de plus longue durée de cette technologie dans l’air, il a été observé que le PCO se décomposait progressivement et perdait la plupart de son potentiel oxydatif en un an ou moins.
L’effet de la silice comme neutralisant de l’oxyde de titane est bien connu dans l’industrie des écrans solaires. Chaque écran solaire avec un bloqueur physique contient du dioxyde de titane en raison de ses fortes capacités d’absorption de la lumière UV, empêchant ainsi les UV d’atteindre la peau. Les écrans solaires conçus pour les nourrissons ou les personnes à la peau sensible sont souvent à base de dioxyde de titane et/ou d’oxyde de zinc, car ces bloqueurs d’UV minéraux sont moins susceptibles de provoquer des irritations cutanées que les ingrédients chimiques absorbant les UV, tels que l’avobenzone.
Cependant, pour éviter la création de radicaux cancérigènes sur la peau en raison de l’activité de la réaction photocatalytique, les particules de dioxyde de titane utilisées dans les écrans solaires sont intentionnellement recouvertes de silice. L’ajout de silice neutralise efficacement les propriétés photocatalytiques de l’oxyde de titane, ce qui rend l’écran solaire inoffensif.
Parce que la silice se trouve couramment dans les applications domestiques telles que le calfeutrage et de nombreux autres matériaux, l’oxyde de titane PCO est contaminé par la silice et perdra la moitié de son activité en trois mois. Cela signifie qu’après 6 mois, il ne sera plus efficace qu’à 50 %, après 9 mois à 25 %, et après un an à 12,5 % seulement. Il cessera alors de fournir des performances adéquates en tant que dispositif de purification de l’air. C’est la principale raison pour laquelle les entreprises sérieuses prennent maintenant du recul et s’éloignent même des merveilleuses promesses du PCO commun à base d’oxyde de titane comme solution pour l’élimination des odeurs.
Nouvelle oxydation photocatalytique au cobalt (Co-PCO)
L’utilisation de la lumière UV pour obtenir un air pur et des ressources en eau par oxydation photocatalytique est un objectif des scientifiques du monde entier(1,2,3) au cours des deux dernières décennies. La photocatalyse est un terme largement générique qui s’applique à la réaction d’oxydation chimique permise par un catalyseur activé par des photons, communément appelé PCO dans l’industrie de la purification de l’air.
Le catalyseur PCO est constitué d’un semi-conducteur d’oxyde métallique, généralement de l’oxyde de titane (TiO2), avec une énergie de bande interdite qui permet l’absorption de photons ultraviolets pour générer des paires électron-trou appelées « sites actifs » qui peuvent initier la réaction chimique. Pour l’oxyde de titane PCO, la bande d’énergie interdite est centrée sur les photons de 360 nm, ce qui se situe au milieu de la gamme des UV-A (315-400 nm). Cela est assez éloigné de la gamme des UV-C des lampes germicides courantes qui émettent la majeure partie de leur énergie photonique à une longueur d’onde de 254 nm, ce qui explique en partie l’efficacité plutôt trompeuse des purificateurs d’air PCO actuels à base d’oxyde de titane utilisant des lampes à mercure à basse pression. Cette faible efficacité est principalement responsable de la formation de sous-produits dangereux tels que le formaldéhyde. Un autre obstacle important à la mise en œuvre du PCO actuel est sa courte durée de vie due à l’empoisonnement du catalyseur par la silice. La silice, qui est le principal constituant du sable commun, est omniprésente dans notre environnement quotidien. Les siloxanes ont été identifiés comme la cause première de la désactivation du PCO actuel(4). Comme la désactivation réduit le nombre de sites actifs disponibles, l’oxydation incomplète devient prévalente, favorisant la production de sous-produits.
L’effet fondamental de l’ajout d’oxyde de cobalt est de déplacer la bande interdite du catalyseur vers des photons de plus haute énergie, plus proches des photons de 254 nm émis par les lampes à mercure à basse pression. Avec une capacité d’absorption à une énergie plus élevée, le catalyseur renforcé au cobalt fournit une activité photocatalytique suffisante pour oxyder complètement les COV domestiques(5,6) et éviter la formation transitoire de formaldéhyde, d’acétaldéhyde et d’autres sous-produits incomplètement oxydés. Il convient de noter que la bande interdite active à haute énergie du catalyseur au cobalt est beaucoup plus large que celle de l’oxyde de titane actuel et qu’elle s’est avérée presque insensible à l’empoisonnement à la silice. Les essais réels n’ont montré aucun déclin significatif de l’activité du catalyseur au cobalt après une année complète de service.