Av Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Gemensam katalysator på basis av titanoxid: TiO2
I kemin är PCO påskyndandet av en fotoreaktion i närvaro av en katalysator. Vid katalytisk fotolys absorberas ljuset av ett adsorberat substrat. Den fotokatalytiska aktiviteten beror på katalysatorns förmåga att skapa elektron-hålpar som genererar fria radikaler (hydroxylradikaler: OH) som kan genomgå oxidationsreaktioner. Det har blivit möjligt att förstå den ända sedan upptäckten av vattenelektrolys med hjälp av titandioxid. Den kommersiella tillämpningen av processen kallas Advanced Oxidation Process (AOP) och används för vattenrening.
Titandioxid, särskilt i anatasform, är en fotokatalysator under ultraviolett ljus. Nyligen har man upptäckt att titandioxid, när den är spetsad med kvävejoner eller dopad med metalloxid som volframtrioxid, också är en fotokatalysator under synligt och UV-ljus. Den starka oxidativa potentialen hos de positiva hålen oxiderar vatten för att skapa hydroxylradikaler. Den kan också oxidera syre eller organiska material direkt. Titandioxid tillsätts därför i färger, cement, fönster, kakel eller andra produkter för steriliserande, deodoriserande och antifouling-egenskaper och används även som hydrolyskatalysator.
Och även om denna teknik ser ut att vara perfekt överförbar till luft, finns det en viktig praktisk invändning som nyligen kommit i dagen: titanoxiden ”förgiftas” av kiseldioxid och dess användbara livslängd försämras kraftigt. Efter en längre tids erfarenhet av denna teknik i luft observerades att PCO gradvis skulle förfalla och förlora det mesta av sin oxidativa potential inom ett år eller mindre.
Effekten av kiseldioxid som neutraliseringsmedel för titanoxid är välkänd inom solskyddsindustrin. Varje solskyddsmedel med en fysisk blockerare innehåller titandioxid på grund av dess starka UV-ljusabsorberande förmåga och förhindrar därmed att UV når huden. Solskyddsmedel avsedda för spädbarn eller personer med känslig hud är ofta baserade på titandioxid och/eller zinkoxid, eftersom dessa mineraliska UV-blockerare är mindre benägna att orsaka hudirritation än kemiska UV-absorberande ingredienser, t.ex. avobenzon.
För att undvika att det bildas cancerframkallande radikaler på huden på grund av aktiviteten i den fotokatalytiska reaktionen är de titandioxidpartiklar som används i solskyddsmedel dock avsiktligt belagda med kiseldioxid. Tillsatsen av kiseldioxid neutraliserar effektivt de fotokatalytiska egenskaperna hos titanoxiden, vilket gör solskyddet ofarligt.
Då kiseldioxid är vanligt förekommande i hushållsapplikationer såsom fogmassa och många andra material, är PCO-titanoxiden kontaminerad med kiseldioxid och kommer att förlora hälften av sin aktivitet inom tre månader. Detta innebär att den efter 6 månader kommer att vara ned till 50 % effektivitet, efter 9 månader ned till 25 % effektivitet och efter ett år ned till endast 12,5 %. Den kommer då att upphöra att ge tillräcklig prestanda som luftreningsanordning. Detta är huvudskälet till att seriösa företag nu tar ett steg tillbaka och till och med går ifrån de fantastiska löftena om vanlig titanoxidbaserad PCO som en lösning för luktborttagning.
Ny koboltfotokatalytisk oxidation (Co-PCO)
Användning av UV-ljus för att uppnå rena luft- och vattenresurser genom fotokatalytisk oxidation är ett mål för forskare världen över(1,2,3) under de senaste två decennierna. Fotokatalys är ett allmänt generiskt begrepp som gäller kemisk oxidationsreaktion som möjliggörs av fotonaktiverad katalysator, vanligen kallad PCO inom luftreningsindustrin.
PCO-katalysatorn består av en metalloxidhalvledare, vanligen titanoxid (TiO2), med en bandgapsenergi som gör det möjligt att absorbera ultravioletta fotoner för att generera elektronhålpar, så kallade ”aktiva platser”, som kan initiera den kemiska reaktionen. För PCO av titanoxid är energibandgapet centrerat på 360 nm fotoner, vilket är i mitten av UV-A-området (315-400 nm). Detta är ganska långt ifrån UV-C-området för vanliga bakteriedödande lampor som avger den största delen av sin fotonenergi vid 254 nm våglängd, vilket delvis förklarar den ganska bedrägliga effektiviteten hos de nuvarande titanoxidbaserade PCO-luftrenare som använder kvicksilverlampor med lågt tryck. Denna låga verkningsgrad är huvudsakligen orsaken till att det bildas farliga biprodukter, t.ex. formaldehyd. Ett annat viktigt hinder för genomförandet av verklig PCO är dess korta livslängd på grund av att katalysatorn förgiftas av kiseldioxid. Kiseldioxid, som är huvudbeståndsdelen i vanlig sand, är allestädes närvarande i vår dagliga miljö. Siloxaner har identifierats som grundorsaken till att nuvarande PCO deaktiveras(4). Eftersom deaktiveringen minskar antalet tillgängliga aktiva platser blir ofullständig oxidation vanlig, vilket främjar produktionen av biprodukter.
Den grundläggande effekten av tillsatsen av koboltoxid är att katalysatorns energibandgap förskjuts mot fotoner med högre energi som ligger närmare de 254 nm fotoner som emitteras av kvicksilverlampor med lågt tryck. Med en förmåga att absorbera vid högre energi ger den koboltförstärkta katalysatorn tillräcklig fotokatalytisk aktivitet för att fullständigt oxidera hushållens flyktiga organiska föreningar(5,6) och undvika den tillfälliga bildningen av formaldehyd, acetaldehyd och andra ofullständigt oxiderade biprodukter. Det är värt att notera att koboltkatalysatorns aktiva bandgap med högre energi är mycket bredare än den faktiska titanoxiden och visade sig vara nästan okänslig för kiseldioxidförgiftning. Vid faktiska tester har det inte visat sig att aktiviteten hos koboltkatalysatorn har minskat nämnvärt efter ett helt år i drift.