Door Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Gemeenschappelijke titanoxide basiskatalysator: TiO2
In de chemie is PCO de versnelling van een fotoreactie in aanwezigheid van een katalysator. Bij gekatalyseerde fotolyse wordt licht geabsorbeerd door een geadsorbeerd substraat. De fotokatalytische activiteit hangt af van het vermogen van de katalysator om elektron-gatparen te creëren, die vrije radicalen (hydroxylradicalen: OH) genereren die in staat zijn oxidatiereacties te ondergaan. Het begrip ervan is mogelijk geworden sinds de ontdekking van de elektrolyse van water met behulp van titaandioxide. De commerciële toepassing van het proces wordt Advanced Oxidation Process (AOP) genoemd en wordt gebruikt voor waterzuivering.
Titaandioxide, vooral in de anataasvorm, is een fotokatalysator onder ultraviolet licht. Onlangs is ontdekt dat titaandioxide, wanneer het is verrijkt met stikstofionen, of gedoteerd met metaaloxide zoals wolfraamtrioxide, ook een fotokatalysator is onder zichtbaar en UV-licht. Het sterke oxidatievermogen van de positieve gaten oxideert water tot hydroxylradicalen. Het kan ook zuurstof of organische materialen rechtstreeks oxideren. Titaandioxide wordt dus toegevoegd aan verf, cement, ramen, tegels of andere produkten voor steriliserende, ontgeurende en aangroeiwerende eigenschappen en wordt ook gebruikt als hydrolysekatalysator.
Hoewel deze technologie perfect transponeerbaar lijkt naar lucht, is er één belangrijk praktisch voorbehoud dat onlangs aan het licht kwam: het titaniumoxide wordt “vergiftigd” door silica en zijn nuttige levensduur wordt ernstig aangetast. Na enige tijd ervaring met deze technologie in de lucht, werd vastgesteld dat het PCO geleidelijk zou vervallen en het grootste deel van zijn oxidatief potentieel zou verliezen binnen een jaar of minder.
Het effect van silica als neutralisator van titaniumoxide is welbekend in de zonnebrandmiddelenindustrie. Elke zonnebrandcrème met een fysische blokkeerder bevat titaniumdioxide vanwege zijn sterke UV-lichtabsorberende vermogen, waardoor wordt voorkomen dat UV-licht de huid bereikt. Zonnefilters voor baby’s of mensen met een gevoelige huid zijn vaak gebaseerd op titaniumdioxide en/of zinkoxide, omdat deze minerale UV-blokkers minder snel huidirritatie veroorzaken dan chemische UV-absorberende ingrediënten, zoals avobenzone.
Om echter te voorkomen dat er door de activiteit van de fotokatalytische reactie kankerverwekkende radicalen op de huid ontstaan, worden de in zonnefilters gebruikte titaniumdioxide-deeltjes opzettelijk gecoat met silica. De toevoeging van silica neutraliseert effectief de fotokatalytische eigenschappen van het titaniumoxide, waardoor de zonnefilter onschadelijk wordt.
Omdat silica veel voorkomt in huishoudelijke toepassingen zoals breeuwen en vele andere materialen, is het PCO titaniumoxide verontreinigd met silica en zal het binnen drie maanden de helft van zijn activiteit verliezen. Dit betekent dat het na 6 maanden nog maar 50% efficiënt zal zijn, na 9 maanden nog maar 25% efficiënt en na een jaar nog maar 12,5% efficiënt. Het zal dan niet meer voldoende presteren als luchtzuiveringsapparaat. Dit is de belangrijkste reden waarom serieuze bedrijven nu een stap terug doen en zelfs weglopen van de prachtige beloften van gewone titaniumoxide gebaseerde PCO als oplossing voor geurverwijdering.
Nieuwe Kobalt Fotokatalytische Oxidatie (Co-PCO)
Het gebruik van UV-licht om schone lucht en waterbronnen te bereiken door middel van fotokatalytische oxidatie is een doel van wetenschappers wereldwijd(1,2,3) gedurende de laatste twee decennia. Fotokatalyse is een algemene term die van toepassing is op chemische oxidatiereactie mogelijk gemaakt door foton geactiveerde katalysator, gewoonlijk PCO genoemd in de luchtzuiveringsindustrie.
PCO katalysator bestaat uit een metaaloxide halfgeleider, meestal titaniumoxide (TiO2), met een bandkloof energie die de absorptie van ultraviolette fotonen mogelijk maakt om elektron gat paren te genereren genaamd “actieve sites” die de chemische reactie kunnen initiëren. Voor titaniumoxide PCO is de energiebandkloof gecentreerd rond 360 nm fotonen, wat in het midden van het UV-A bereik ligt (315-400 nm). Dit is vrij ver verwijderd van het UV-C-bereik van gewone kiemdodende lampen die het grootste deel van hun fotonenergie uitzenden bij een golflengte van 254 nm en verklaart als zodanig gedeeltelijk de nogal bedrieglijke efficiëntie van de huidige op titaniumoxide gebaseerde PCO-luchtzuiveraars die lage druk kwiklampen gebruiken. Dit lage rendement is hoofdzakelijk verantwoordelijk voor de vorming van gevaarlijke bijprodukten zoals formaldehyde. Een andere belangrijke belemmering voor de toepassing van de huidige PCO is de korte levensduur als gevolg van silicavergiftiging van de katalysator. Silica, het hoofdbestanddeel van gewoon zand, is alomtegenwoordig in ons dagelijks milieu. Siloxanen zijn aangewezen als de hoofdoorzaak van de huidige PCO-deactivering(4). Aangezien de deactivering het aantal beschikbare actieve sites vermindert, komt onvolledige oxidatie voor, waardoor de productie van bijproducten wordt bevorderd.
Het fundamentele effect van de toevoeging van kobaltoxide is de verschuiving van de energiebandkloof van de katalysator in de richting van fotonen met hogere energie, dichter bij de 254 nm fotonen die door lage druk kwiklampen worden uitgezonden. Met een capaciteit om hogere energie te absorberen, levert de met kobalt versterkte katalysator voldoende fotokatalytische activiteit om huishoudelijke VOS(5,6) volledig te oxideren en de voorbijgaande vorming van formaldehyde, acetaldehyde en andere onvolledig geoxideerde bijproducten te vermijden. Het is vermeldenswaard dat de actieve band gap van de kobaltkatalysator met zijn hogere energie veel breder is dan die van het eigenlijke titaniumoxide en dat hij bijna ongevoelig bleek te zijn voor kiezelzuurvergiftiging. Tests hebben geen significante afname van de activiteit van de Kobalt katalysator laten zien na een vol jaar in gebruik te zijn geweest.