Przez Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Wspólny katalizator bazowy tlenku tytanu: TiO2
W chemii, PCO to przyspieszenie fotoreakcji w obecności katalizatora. W katalizowanej fotolizie, światło jest absorbowane przez zaadsorbowany substrat. Aktywność fotokatalityczna zależy od zdolności katalizatora do tworzenia par elektron-dziura, które generują wolne rodniki (rodniki hydroksylowe: OH) zdolne do ulegania reakcjom utleniania. Jego zrozumienie stało się możliwe od czasu odkrycia elektrolizy wody przy użyciu dwutlenku tytanu. Komercyjne zastosowanie tego procesu nosi nazwę Advanced Oxidation Process (AOP) i jest wykorzystywane do uzdatniania wody.
Ditlenek tytanu, szczególnie w postaci anatazowej, jest fotokatalizatorem w świetle ultrafioletowym. Ostatnio odkryto, że ditlenek tytanu, gdy jest nasycony jonami azotu lub domieszkowany tlenkiem metalu, takim jak trójtlenek wolframu, jest również fotokatalizatorem w świetle widzialnym i UV. Silny potencjał oksydacyjny dodatnich dziur utlenia wodę, tworząc rodniki hydroksylowe. Może również bezpośrednio utleniać tlen lub materiały organiczne. Dwutlenek tytanu jest zatem dodawany do farb, cementów, okien, płytek lub innych produktów w celu uzyskania właściwości sterylizujących, dezodoryzujących i przeciwporostowych, a także jest stosowany jako katalizator hydrolizy.
Chociaż technologia ta wygląda na doskonale nadającą się do przeniesienia do powietrza, istnieje jedno główne zastrzeżenie praktyczne, które niedawno wyszło na jaw: tlenek tytanu jest „zatruwany” przez krzemionkę, a jego użyteczna żywotność jest poważnie ograniczona. Po dłuższym okresie stosowania tej technologii w powietrzu zaobserwowano, że PCO będzie się stopniowo rozpadać i straci większość swojego potencjału utleniającego w ciągu roku lub krócej.
Wpływ krzemionki jako neutralizatora tlenku tytanu jest dobrze znany w przemyśle ochrony przeciwsłonecznej. Każdy filtr przeciwsłoneczny z blokerem fizycznym zawiera dwutlenek tytanu ze względu na jego silne zdolności pochłaniania promieniowania UV, zapobiegając w ten sposób docieraniu promieniowania UV do skóry. Filtry przeciwsłoneczne przeznaczone dla niemowląt lub osób o wrażliwej skórze są często oparte na ditlenku tytanu i/lub tlenku cynku, ponieważ te mineralne blokery UV są mniej skłonne do powodowania podrażnień skóry niż chemiczne składniki pochłaniające promieniowanie UV, takie jak avobenzon.
Jednakże, aby uniknąć powstawania rakotwórczych rodników na skórze w wyniku aktywności reakcji fotokatalitycznej, cząsteczki ditlenku tytanu stosowane w filtrach przeciwsłonecznych są celowo powlekane krzemionką. Dodatek krzemionki skutecznie neutralizuje fotokatalityczne właściwości tlenku tytanu, czyniąc filtr przeciwsłoneczny nieszkodliwym.
Ponieważ krzemionka jest powszechnie spotykana w zastosowaniach domowych, takich jak uszczelnianie i wiele innych materiałów, tlenek tytanu PCO jest zanieczyszczony krzemionką i straci połowę swojej aktywności w ciągu trzech miesięcy. Oznacza to, że po 6 miesiącach jego skuteczność spadnie do 50%, po 9 miesiącach do 25%, a po roku tylko do 12,5%. Przestanie wtedy zapewniać odpowiednią wydajność jako urządzenie oczyszczające powietrze. Jest to główny powód, dla którego poważne firmy robią teraz krok wstecz, a nawet odchodzą od cudownych obietnic wspólnego PCO opartego na tlenku tytanu jako rozwiązania do usuwania nieprzyjemnych zapachów.
Nowe kobaltowe utlenianie fotokatalityczne (Co-PCO)
Używanie światła UV do osiągnięcia czystego powietrza i zasobów wodnych poprzez fotokatalityczne utlenianie jest celem naukowców na całym świecie(1,2,3) w ciągu ostatnich dwóch dekad. Fotokataliza jest szeroko stosowanym terminem, który odnosi się do reakcji utleniania chemicznego, aktywowanej przez katalizator aktywowany fotonami, powszechnie nazywany PCO w przemyśle oczyszczania powietrza.
Katalizator PCO składa się z półprzewodnika tlenku metalu, zwykle tlenku tytanu (TiO2), o energii przerwy pasmowej, która pozwala na absorpcję fotonów ultrafioletowych w celu wygenerowania par elektron-dziura, zwanych „miejscami aktywnymi”, które mogą zainicjować reakcję chemiczną. Dla tlenku tytanu PCO, energia przerwy pasmowej jest skupiona na fotonach 360 nm, co jest w środku zakresu UV-A (315-400 nm). Jest to dość daleko od zakresu UV-C popularnych lamp bakteriobójczych emitujących większość swojej energii fotonowej przy długości fali 254 nm i jako takie częściowo wyjaśnia raczej zwodniczą wydajność obecnych oczyszczaczy powietrza PCO na bazie tlenku tytanu, wykorzystujących niskociśnieniowe lampy rtęciowe. Ta niska wydajność jest głównie odpowiedzialna za powstawanie niebezpiecznych produktów ubocznych, takich jak formaldehyd. Inną istotną barierą we wdrażaniu rzeczywistego PCO jest jego krótka żywotność spowodowana zatruciem katalizatora krzemionką. Krzemionka, która jest głównym składnikiem zwykłego piasku, jest wszechobecna w naszym codziennym środowisku. Siloksany zostały zidentyfikowane jako podstawowa przyczyna obecnej dezaktywacji PCO(4). Ponieważ dezaktywacja zmniejsza liczbę dostępnych miejsc aktywnych, niekompletne utlenianie staje się powszechne, promując produkcję produktów ubocznych.
Podstawowym skutkiem dodania tlenku kobaltu jest przesunięcie energetycznej przerwy pasmowej katalizatora w kierunku fotonów o wyższej energii, bliższej fotonom o długości fali 254 nm emitowanym przez niskociśnieniowe lampy rtęciowe. Dzięki zdolności do absorpcji przy wyższej energii, katalizator wzmocniony kobaltem zapewnia wystarczającą aktywność fotokatalityczną, aby całkowicie utlenić domowe lotne związki organiczne (5,6) i uniknąć przejściowego powstawania formaldehydu, aldehydu octowego i innych niekompletnie utlenionych produktów ubocznych. Warto zauważyć, że wyższa energia aktywnej przerwy pasmowej katalizatora kobaltowego jest znacznie szersza niż rzeczywistego tlenku tytanu i okazało się, że jest on prawie niewrażliwy na zatrucie krzemionką. Rzeczywiste testy nie wykazały znaczącego spadku aktywności katalizatora kobaltowego po pełnym roku użytkowania.
.