Di Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Catalizzatore base di ossido di titanio: TiO2
In chimica, PCO è l’accelerazione di una fotoreazione in presenza di un catalizzatore. Nella fotolisi catalizzata, la luce viene assorbita da un substrato adsorbito. L’attività fotocatalitica dipende dalla capacità del catalizzatore di creare coppie di elettroni-hole, che generano radicali liberi (radicali idrossili: OH) capaci di subire reazioni di ossidazione. La sua comprensione è stata resa possibile dalla scoperta dell’elettrolisi dell’acqua per mezzo del biossido di titanio. L’applicazione commerciale del processo è chiamata Advanced Oxidation Process (AOP) e viene utilizzata per il trattamento dell’acqua.
Il biossido di titanio, in particolare nella forma anatasio, è un fotocatalizzatore alla luce ultravioletta. Recentemente si è scoperto che il biossido di titanio, quando è addizionato con ioni di azoto, o drogato con ossido di metallo come il triossido di tungsteno, è anche un fotocatalizzatore sotto la luce visibile e UV. Il forte potenziale ossidativo dei fori positivi ossida l’acqua per creare radicali idrossili. Può anche ossidare direttamente l’ossigeno o i materiali organici. Il biossido di titanio viene quindi aggiunto a vernici, cementi, finestre, piastrelle o altri prodotti per le proprietà sterilizzanti, deodoranti e antivegetative ed è anche usato come catalizzatore di idrolisi.
Anche se questa tecnologia sembra perfettamente trasponibile all’aria, c’è una principale avvertenza pratica che è venuta alla luce recentemente: l’ossido di titanio viene “avvelenato” dalla silice e la sua vita utile è gravemente compromessa. Dopo alcune esperienze di lunga durata di questa tecnologia nell’aria, è stato osservato che il PCO decadrebbe gradualmente e perderebbe la maggior parte del suo potenziale ossidativo entro un anno o meno.
L’effetto della silice come neutralizzatore di ossido di titanio è ben noto nell’industria della protezione solare. Ogni protezione solare con un bloccante fisico contiene biossido di titanio a causa delle sue forti capacità di assorbimento della luce UV, impedendo così agli UV di raggiungere la pelle. Le creme solari progettate per i bambini o per le persone con la pelle sensibile sono spesso basate sul biossido di titanio e/o sull’ossido di zinco, poiché questi bloccanti UV minerali hanno meno probabilità di causare irritazioni cutanee rispetto agli ingredienti chimici assorbitori di UV, come l’avobenzone.
Tuttavia, per evitare la creazione di radicali cancerogeni sulla pelle a causa dell’attività della reazione fotocatalitica, le particelle di biossido di titanio utilizzate nelle creme solari sono intenzionalmente rivestite di silice. L’aggiunta di silice neutralizza efficacemente le proprietà fotocatalitiche dell’ossido di titanio, rendendo la protezione solare innocua.
Perché la silice si trova comunemente in applicazioni domestiche come il calafataggio e molti altri materiali, l’ossido di titanio PCO è contaminato dalla silice e perderà metà della sua attività entro tre mesi. Questo significa che dopo 6 mesi, sarà al 50% di efficienza, dopo 9 mesi al 25% e dopo un anno solo al 12,5%. Cesserà quindi di fornire prestazioni adeguate come dispositivo di purificazione dell’aria. Questo è il motivo principale per cui le aziende serie stanno ora facendo un passo indietro e persino allontanandosi dalle meravigliose promesse del comune PCO a base di ossido di titanio come soluzione per la rimozione degli odori.
Nuova ossidazione fotocatalitica al cobalto (Co-PCO)
L’utilizzo della luce UV per ottenere aria pulita e risorse idriche attraverso l’ossidazione fotocatalitica è un obiettivo degli scienziati di tutto il mondo(1,2,3) negli ultimi due decenni. La fotocatalisi è un termine ampiamente generico che si applica alla reazione di ossidazione chimica attivata da un catalizzatore attivato dai fotoni, comunemente chiamato PCO nell’industria della purificazione dell’aria.
Il catalizzatore PCO consiste in un semiconduttore di ossido di metallo, di solito ossido di titanio (TiO2), con un’energia di band gap che permette l’assorbimento di fotoni ultravioletti per generare coppie di elettroni buchi chiamate “siti attivi” che possono avviare la reazione chimica. Per l’ossido di titanio PCO, il band gap energetico è centrato sui fotoni da 360 nm, che è nel mezzo della gamma UV-A (315-400 nm). Questo è abbastanza lontano dalla gamma UV-C delle comuni lampade germicide che emettono la maggior parte della loro energia fotonica alla lunghezza d’onda di 254 nm e come tale spiega in parte l’efficienza piuttosto ingannevole degli attuali purificatori d’aria PCO a base di ossido di titanio che utilizzano lampade al mercurio a bassa pressione. Questa bassa efficienza è principalmente responsabile della formazione di sottoprodotti pericolosi come la formaldeide. Un’altra importante barriera all’implementazione dell’attuale PCO è la sua breve durata dovuta all’avvelenamento da silice del catalizzatore. La silice, che è il principale costituente della sabbia comune, è onnipresente nel nostro ambiente quotidiano. I silossani sono stati identificati come la causa principale della disattivazione del PCO attuale(4). Poiché la disattivazione riduce il numero di siti attivi disponibili, l’ossidazione incompleta diventa prevalente, promuovendo la produzione di sottoprodotti.
L’effetto fondamentale dell’aggiunta di ossido di cobalto è quello di spostare il band gap energetico del catalizzatore verso fotoni di energia più alta, più vicini ai fotoni da 254 nm emessi dalle lampade al mercurio a bassa pressione. Con la capacità di assorbire a un’energia superiore, il catalizzatore potenziato con cobalto fornisce un’attività fotocatalitica sufficiente per ossidare completamente i VOC domestici (5,6) ed evitare la formazione transitoria di formaldeide, acetaldeide e altri sottoprodotti ossidati in modo incompleto. Vale la pena notare che il band gap attivo a più alta energia del catalizzatore di cobalto è molto più ampio dell’attuale ossido di titanio ed è stato trovato quasi insensibile all’avvelenamento da silice. I test effettivi non hanno mostrato alcun declino significativo nell’attività del catalizzatore di cobalto dopo un anno intero di servizio.