Af Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Fælles Titaniumoxid basiskatalysator: TiO2
I kemi er PCO fremskyndelse af en fotoreaktion i tilstedeværelse af en katalysator. Ved katalyseret fotolyse absorberes lys af et adsorberet substrat. Den fotokatalytiske aktivitet afhænger af katalysatorens evne til at skabe elektron-hul-par, som genererer frie radikaler (hydroxylradikaler: OH), der er i stand til at gennemgå oxidationsreaktioner. Forståelsen heraf er blevet muliggjort lige siden opdagelsen af elektrolyse af vand ved hjælp af titandioxid. Den kommercielle anvendelse af processen kaldes Advanced Oxidation Process (AOP) og anvendes til vandbehandling.
Titandioxid, især i anataseform, er en fotokatalysator under ultraviolet lys. For nylig har man fundet ud af, at titandioxid, når det er tilsat nitrogenioner eller doteret med metaloxid som f.eks. wolframtrioxid, også er en fotokatalysator under synligt og UV-lys. Det stærke oxidationspotentiale hos de positive huller oxiderer vand og danner hydroxylradikaler. Det kan også oxidere ilt eller organiske materialer direkte. Titandioxid tilsættes således til maling, cement, vinduer, fliser eller andre produkter med henblik på steriliserende, deodoriserende og antibegroningsegenskaber og anvendes også som hydrolysekatalysator.
Og selv om denne teknologi ser ud til at kunne overføres perfekt til luft, er der et vigtigt praktisk forbehold, som for nylig er kommet frem i lyset: titanoxidet bliver “forgiftet” af silica, og dets nyttige levetid er stærkt forringet. Efter længere tids erfaring med denne teknologi i luften blev det observeret, at PCO’en gradvist ville forfalde og miste det meste af sit oxidationspotentiale inden for et år eller mindre.
Kiliciumdioxidens virkning som titanoxidneutraliserende middel er velkendt i solcremeindustrien. Enhver solcreme med en fysisk blocker indeholder titandioxid på grund af dets stærke UV-lysabsorberende evne, hvilket forhindrer UV-stråler i at nå huden. Solcremer, der er beregnet til spædbørn eller personer med følsom hud, er ofte baseret på titandioxid og/eller zinkoxid, da disse mineralske UV-blokkere er mindre tilbøjelige til at forårsage hudirritation end kemiske UV-absorberende ingredienser, såsom avobenzon.
For at undgå dannelsen af kræftfremkaldende radikaler på huden på grund af aktiviteten af den fotokatalytiske reaktion er de titandioxidpartikler, der anvendes i solcremer, imidlertid bevidst belagt med siliciumdioxid. Tilsætningen af silica neutraliserer effektivt titanoxidets fotokatalytiske egenskaber, hvilket gør solcremen uskadelig.
Da silica almindeligvis findes i husholdningsanvendelser som f.eks. fugemasse og mange andre materialer, er PCO-titanoxid forurenet med silica og vil miste halvdelen af sin aktivitet inden for tre måneder. Det betyder, at den efter 6 måneder vil være nede på 50 % effektivitet, efter 9 måneder nede på 25 % effektivitet og efter et år nede på kun 12,5 %. Den vil derefter ikke længere yde tilstrækkelig ydelse som luftrensningsanordning. Dette er hovedårsagen til, at seriøse virksomheder nu tager et skridt tilbage og endda går væk fra de vidunderlige løfter om almindelig titanoxidbaseret PCO som en løsning til lugtfjernelse.
Ny koboltfotokatalytisk oxidation (Co-PCO)
Anvendelse af UV-lys til at opnå rene luft- og vandressourcer gennem fotokatalytisk oxidation er et mål for forskere verden over(1,2,3) i de sidste to årtier. Fotokatalyse er et bredt generisk udtryk, der gælder for kemisk oxidationsreaktion muliggjort af fotonaktiveret katalysator, almindeligvis kaldet PCO i luftrensningsindustrien.
PCO-katalysator består af en metaloxidhalvleder, normalt titanoxid (TiO2), med en båndgabsenergi, der tillader absorption af ultraviolette fotoner til at generere elektronhulpar kaldet “aktive steder”, der kan indlede den kemiske reaktion. For titanoxid-PCO er energibåndgabet centreret omkring 360 nm fotoner, hvilket er midt i UV-A-området (315-400 nm). Dette er ret langt fra UV-C-området for almindelige bakteriedræbende lamper, der udsender størstedelen af deres fotonenergi ved 254 nm bølgelængde, og det forklarer til dels den ret vildledende effektivitet af de nuværende Titanoxid-baserede PCO-luftrensere, der anvender kviksølvlamper med lavt tryk. Denne lave effektivitet er primært ansvarlig for dannelsen af farlige biprodukter som f.eks. formaldehyd. En anden vigtig hindring for anvendelsen af PCO er dens korte levetid på grund af forgiftning af katalysatoren med silica. Silica, som er den vigtigste bestanddel af almindeligt sand, er allestedsnærværende i vores daglige miljø. Siloxaner er blevet identificeret som den grundlæggende årsag til den nuværende deaktivering af PCO(4). Da deaktivering reducerer antallet af aktive steder, bliver ufuldstændig oxidation fremherskende, hvilket fremmer produktionen af biprodukter.
Den grundlæggende virkning af tilsætning af koboltoxid er at flytte katalysatorens energibåndgab i retning af fotoner med højere energi tættere på de 254 nm fotoner, der udsendes af kviksølvlamper med lavt tryk. Med en kapacitet til at absorbere ved højere energi giver den koboltforbedrede katalysator tilstrækkelig fotokatalytisk aktivitet til at oxidere husholdnings-VOC’er fuldstændigt(5,6) og undgå den forbigående dannelse af formaldehyd, acetaldehyd og andre ufuldstændigt oxiderede biprodukter. Det er værd at bemærke, at koboltkatalysatorens aktive båndgab med højere energi er meget bredere end det faktiske titanoxid og viste sig at være næsten ufølsom over for silicaforgiftning. De faktiske test har ikke vist nogen væsentlig nedgang i koboltkatalysatorens aktivitet efter et helt år i drift.