By Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Common Titanium oxide base catalyst: TiO2
A kémiában a PCO egy fotoreakció gyorsítása katalizátor jelenlétében. A katalizált fotolízis során a fényt egy adszorbeált szubsztrát elnyeli. A fotokatalitikus aktivitás attól függ, hogy a katalizátor képes-e elektron-lyuk párokat létrehozni, amelyek oxidációs reakciókra képes szabad gyököket (hidroxilgyökök: OH) hoznak létre. Megértése a víz elektrolízisének felfedezése óta vált lehetővé a titán-dioxid segítségével. Az eljárás kereskedelmi alkalmazása az úgynevezett fejlett oxidációs eljárás (Advanced Oxidation Process, AOP), amelyet vízkezelésre használnak.
A titán-dioxid, különösen anatáz formájában, ultraibolya fény hatására fotokatalizátor. Nemrégiben kiderült, hogy a titán-dioxid, ha nitrogénionokkal spékelik, vagy fémoxiddal, például volfrámtrioxiddal adalékolják, látható és UV-fényben is fotokatalizátor. A pozitív lyukak erős oxidatív potenciálja hidroxilgyökök létrehozásával oxidálja a vizet. Közvetlenül oxidálhatja az oxigént vagy a szerves anyagokat is. A titán-dioxidot így festékekhez, cementekhez, ablakokhoz, csempékhez vagy más termékekhez adják sterilizáló, szagtalanító és szennyeződésgátló tulajdonságai miatt, és hidrolízis-katalizátorként is használják.
Noha ez a technológia tökéletesen átültethetőnek tűnik a levegőbe, van egy fő gyakorlati kifogás, amelyre nemrég derült fény: a titán-oxidot “megmérgezi” a szilícium-dioxid, és a hasznos élettartama erősen csökken. Ennek a technológiának a levegőben való hosszabb távú tapasztalata után megfigyelték, hogy a PCO fokozatosan lebomlik, és egy éven belül vagy annál rövidebb idő alatt elveszíti oxidációs potenciáljának nagy részét.
A szilícium-dioxid titán-oxid semlegesítőként való hatása jól ismert a fényvédő iparban. Minden fizikai blokkolóval ellátott fényvédő krém tartalmaz titán-dioxidot, mert erős UV-fényelnyelő képessége miatt megakadályozza, hogy az UV sugárzás elérje a bőrt. A csecsemők vagy érzékeny bőrűek számára kifejlesztett napvédő krémek gyakran titán-dioxid és/vagy cink-oxid alapúak, mivel ezek az ásványi UV-blokkolók kisebb valószínűséggel okoznak bőrirritációt, mint a kémiai UV-abszorber összetevők, például az avobenzon.
Azért azonban, hogy a fotokatalitikus reakció aktivitása miatt ne keletkezzenek rákkeltő gyökök a bőrön, a napvédő krémekben használt titán-dioxid részecskéket szándékosan szilícium-dioxiddal vonják be. A szilícium-dioxid hozzáadása hatékonyan semlegesíti a titán-oxid fotokatalitikus tulajdonságait, így a fényvédő krém ártalmatlanná válik.
Mivel a szilícium-dioxid általában megtalálható a háztartási alkalmazásokban, például a tömítőanyagokban és sok más anyagban, a PCO titán-oxid szilícium-dioxiddal szennyezett, és három hónapon belül elveszíti aktivitásának felét. Ez azt jelenti, hogy 6 hónap elteltével a hatékonysága 50%-ra csökken, 9 hónap elteltével 25%-ra, egy év elteltével pedig csak 12,5%-ra. Ezután már nem nyújt megfelelő teljesítményt légtisztító eszközként. Ez a fő oka annak, hogy komoly cégek most visszalépnek, sőt, elállnak a közös titán-oxid alapú PCO csodálatos ígéreteitől, mint a szagtalanítás megoldásától.
Új kobalt fotokatalitikus oxidáció (Co-PCO)
Az UV-fény felhasználása a tiszta levegő és vízforrások fotokatalitikus oxidációval történő elérésére a tudósok célja világszerte(1,2,3) az elmúlt két évtizedben. A fotokatalízis egy széles körben általános kifejezés, amely a fotonaktivált katalizátor által lehetővé tett kémiai oxidációs reakcióra vonatkozik, amelyet a levegőtisztító iparban általában PCO-nak neveznek.
A PCO-katalizátor egy fémoxid félvezetőből, általában titán-oxidból (TiO2) áll, amelynek sávhézag energiája lehetővé teszi az ultraibolya fotonok abszorpcióját az “aktív helyeknek” nevezett elektronlyukpárok létrehozásához, amelyek képesek a kémiai reakciót elindítani. A titán-oxid PCO esetében a sávhézag energiája 360 nm-es fotonokra összpontosul, ami az UV-A tartomány közepén van (315-400 nm). Ez meglehetősen messze van az általános csíraölő lámpák UV-C tartományától, amelyek a legtöbb fotonenergiát 254 nm-es hullámhosszon bocsátják ki, és ez részben megmagyarázza a jelenlegi titán-oxid alapú PCO légtisztítók meglehetősen megtévesztő hatékonyságát, amelyek alacsony nyomású higanylámpákat használnak. Ez az alacsony hatékonyság elsősorban a veszélyes melléktermékek, például a formaldehid képződéséért felelős. A tényleges PCO megvalósításának másik fontos akadálya a katalizátor szilícium-dioxid-mérgezése miatti rövid élettartam. A szilícium-dioxid, amely a közönséges homok fő alkotóeleme, mindennapi környezetünkben mindenütt jelen van. A sziloxánokat azonosították a jelenlegi PCO deaktiválódásának fő okaként(4). Mivel a deaktiválás csökkenti a rendelkezésre álló aktív helyek számát, a nem teljes oxidáció válik uralkodóvá, ami elősegíti a melléktermékek keletkezését.
A kobalt-oxid hozzáadásának alapvető hatása az, hogy a katalizátor energiasávhézagát a magasabb energiájú fotonok felé tolja el, amelyek közelebb vannak az alacsony nyomású higanylámpák által kibocsátott 254 nm-es fotonokhoz. A magasabb energián való abszorpciós képességgel a kobalddal növelt katalizátor elegendő fotokatalitikus aktivitást biztosít a háztartási VOC-ok teljes oxidációjához(5,6) és a formaldehid, acetaldehid és más nem teljesen oxidált melléktermékek átmeneti képződésének elkerülésére. Érdemes megjegyezni, hogy a kobaltkatalizátor magasabb energiájú aktív sávhézaga sokkal szélesebb, mint a tényleges titán-oxidé, és szinte érzéketlennek bizonyult a szilícium-dioxid-mérgezésre. A tényleges tesztek nem mutattak jelentős csökkenést a kobaltkatalizátor aktivitásában egy teljes év üzemelés után.