De Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Catalizator comun pe bază de oxid de titan: TiO2
În chimie, PCO reprezintă accelerarea unei fotoreacțiuni în prezența unui catalizator. În fotoliza catalizată, lumina este absorbită de un substrat adsorbit. Activitatea fotocatalitică depinde de capacitatea catalizatorului de a crea perechi electron-oclu, care generează radicali liberi (radicali hidroxil: OH) capabili să sufere reacții de oxidare. Înțelegerea sa a fost posibilă încă de la descoperirea electrolizei apei cu ajutorul dioxidului de titan. Aplicarea comercială a procedeului se numește Advanced Oxidation Process (AOP) și este utilizată pentru tratarea apei.
Dioxidul de titan, în special în forma anatase, este un fotocatalizator la lumina ultravioletă. Recent, s-a constatat că dioxidul de titan, atunci când este îmbogățit cu ioni de azot sau dopat cu oxid metalic, cum ar fi trioxidul de tungsten, este, de asemenea, un fotocatalizator la lumină vizibilă și UV. Potențialul oxidativ puternic al găurilor pozitive oxidează apa pentru a crea radicali hidroxil. De asemenea, poate oxida direct oxigenul sau materialele organice. Astfel, dioxidul de titan este adăugat la vopsele, cimenturi, ferestre, gresie sau alte produse pentru proprietăți de sterilizare, dezodorizare și antivegetative și este, de asemenea, utilizat ca și catalizator de hidroliză.
Deși această tehnologie pare perfect transpozabilă în aer, există un avertisment practic principal care a ieșit recent la iveală: oxidul de titan este „otrăvit” de siliciu, iar durata sa de viață utilă este grav afectată. După o experiență mai îndelungată a acestei tehnologii în aer, s-a observat că PCO se va degrada treptat și își va pierde cea mai mare parte a potențialului său oxidativ în decurs de un an sau mai puțin.
Efectul siliciului ca neutralizator al oxidului de titan este bine cunoscut în industria cremelor solare. Fiecare cremă de protecție solară cu un blocant fizic conține dioxid de titan datorită capacităților sale puternice de absorbție a luminii UV, împiedicând astfel ca UV să ajungă la piele. Cremele de protecție solară destinate sugarilor sau persoanelor cu pielea sensibilă sunt adesea pe bază de dioxid de titan și/sau oxid de zinc, deoarece acești blocanți UV minerali sunt mai puțin susceptibili de a provoca iritații ale pielii decât ingredientele chimice absorbante de UV, cum ar fi avobenzona.
Cu toate acestea, pentru a evita crearea de radicali cancerigeni pe piele din cauza activității de reacție fotocatalitică, particulele de dioxid de titan utilizate în cremele de protecție solară sunt acoperite în mod intenționat cu silice. Adăugarea de siliciu neutralizează în mod eficient proprietățile fotocatalitice ale oxidului de titan, ceea ce face ca crema de protecție solară să fie inofensivă.
Pentru că siliciul se găsește în mod obișnuit în aplicațiile casnice, cum ar fi masticarea și multe alte materiale, oxidul de titan PCO este contaminat cu siliciu și își va pierde jumătate din activitate în decurs de trei luni. Aceasta înseamnă că, după 6 luni, va avea o eficiență de 50%, după 9 luni va avea o eficiență de 25%, iar după un an va avea o eficiență de numai 12,5%. Atunci va înceta să mai ofere o performanță adecvată ca dispozitiv de purificare a aerului. Acesta este principalul motiv pentru care companiile serioase fac acum un pas înapoi și chiar se îndepărtează de promisiunile minunate ale PCO-ului comun pe bază de oxid de titan ca soluție pentru eliminarea mirosurilor.
Noua oxidare fotocatalitică cu cobalt (Co-PCO)
Utilizarea luminii UV pentru a obține aer curat și resurse de apă prin oxidare fotocatalitică este un obiectiv al oamenilor de știință din întreaga lume(1,2,3) în ultimele două decenii. Fotocataliza este un termen generic larg răspândit care se aplică reacției de oxidare chimică activată de un catalizator activat cu fotoni, denumit în mod obișnuit PCO în industria de purificare a aerului.
Catalizatorul PCO este format dintr-un semiconductor de oxid metalic, de obicei oxid de titan (TiO2), cu o energie de bandă interzisă care permite absorbția fotonilor ultravioleți pentru a genera perechi de electroni-găuri numite „situsuri active” care pot iniția reacția chimică. Pentru PCO de oxid de titan, banda de energie interzisă este centrată pe fotoni de 360 nm, care se află la mijlocul intervalului UV-A (315-400 nm). Acest lucru este destul de departe de gama UV-C a lămpilor germicide obișnuite care emit cea mai mare parte a energiei fotonice la lungimea de undă de 254 nm și, ca atare, explică parțial eficiența destul de înșelătoare a purificatoarelor de aer actuale pe bază de oxid de titan PCO care utilizează lămpi cu mercur de joasă presiune. Această eficiență scăzută este în principal responsabilă de formarea unor produse secundare periculoase, cum ar fi formaldehida. Un alt obstacol important în calea punerii în aplicare a PCO actuale este durata de viață scurtă a acestuia din cauza otrăvirii catalizatorului cu silice. Siliciul, care este principalul constituent al nisipului obișnuit, este omniprezent în mediul nostru cotidian. Siloxanii au fost identificați ca fiind cauza principală a dezactivării actuale a PCO(4). Pe măsură ce dezactivarea reduce numărul de situsuri active disponibile, oxidarea incompletă devine predominantă, favorizând producerea de subproduse.
Efectul fundamental al adaosului de oxid de cobalt este acela de a deplasa banda de energie a catalizatorului spre fotoni de energie mai mare, mai apropiați de fotonii de 254 nm emiși de lămpile de mercur de joasă presiune. Cu o capacitate de absorbție la o energie mai mare, catalizatorul îmbunătățit cu cobalt oferă o activitate fotocatalitică suficientă pentru a oxida complet COV de uz casnic(5,6) și pentru a evita formarea tranzitorie de formaldehidă, acetaldehidă și alți subproduse incomplet oxidate. Este demn de remarcat faptul că banda interzisă activă de energie mai mare a catalizatorului de cobalt este mult mai largă decât cea a oxidului de titan real și s-a constatat că este aproape insensibil la otrăvirea siliciului. Testele efective nu au arătat o scădere semnificativă a activității catalizatorului de cobalt după un an întreg de funcționare.
.