Fotocatalisi
La fotocatalisi è un metodo catalitico applicato a reazioni fotochimiche, condotto mediante l'ausilio di un catalizzatore che esplica la sua azione quando irradiato con luce di opportuna lunghezza d'onda. I fotocatalizzatori classici sono rappresentati da composti metallici quali TiO2,[1] il più attivo e più utilizzato, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS, ZnS ecc.
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[modifica] Principio
Un fotocatalizzatore tipico è un semiconduttore che, assorbendo un fotone di energia superiore al gap tra banda di valenza e banda di conduzione, modifica la struttura dei suoi orbitali molecolari con elettroni, definiti fotoelettroni, della banda di valenza che passano alla banda di conduzione con formazione di fotolacune positive nella stessa banda di valenza. Questi trasportatori di carica hanno vita breve: possono, tramite diversi meccanismi, ricombinarsi e tornare alla configurazione originaria del semiconduttore ovvero generare un flusso di corrente superficiale, a causa del gradiente di potenziale creatosi a livello delle bande. Il più basso livello di energia della banda di conduzione definisce il potenziale di riduzione dei fotoelettroni mentre, rispettivamente, il più alto livello energetico della banda di valenza determina il potere ossidante delle fotolacune.
Quando i reagenti diffondono sulla superficie del fotocatalizzatore vengono chemisorbiti su un sito attivo e possono partecipare a reazioni redox. La specie absorbita può essere fotoridotta se il suo potenziale standard di riduzione è maggiore rispetto a quello dei fotoelettroni. In caso contrario le fotolacune possono provocare l'ossidazione, se il loro potenziale è maggiore rispetto a quello delle molecole in oggetto. I meccanismi di reazione non sono ancora esattamente noti: si pensa che le molecole siano direttamente ossidate o ridotte oppure reagiscano, in fase absorbita o in soluzione, tramite intermedi radicalici molto reattivi. Questi radicali sono il risultato dell'effetto dell'interazione dei foto-trasportatori di carica con, per esempio, ossigeno e acqua contenuti in una soluzione.
L'efficienza fotocatalica dipende da diversi parametri: dal numero e stabilità temporale dei portatori di carica fotogenerati, dall'equilibrio di absorbimento/deabsorbimento e dal tipo di reazione considerata.
[modifica] Applicazioni
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Per approfondire, vedi la voce Fotocatalisi delle acque reflue. |
La fotocatalisi viene sfruttata nei trattamenti di depurazione dell'aria e delle acque. Viene utilizzata anche nella disinfezione e in medicina per combattere alcuni tipi di cellule tumorali. In campo industriale trova impiego nella produzione di vetri autopulenti, sfruttando la superidrofilia dei semiconduttori irradiati. Rivestimenti di TiO2 permettono, per azione della luce, la distruzione dello sporco per ossidazione del materiale organico tramite i radicali dell'ossigeno prodotti.
Una interessante applicazione riguarda la produzione di idrogeno per scissione fotocatalitica dell'acqua, utilizzando NaTaO3 e ossido di nichel quali catalizzatori e irradiando con luce UV. Il gas così prodotto può essere utilizzato come vettore energetico o fonte di energia.
[modifica] Note
- ^ Akira Fujishima; Kazuhito Hashimoto; Toshiya Watanabe, TiO2 photocatalysis: fundamentals and applications, BKC, 1999. ISBN 493905103X
[modifica] Bibliografia
- Masao Kaneko; Ichiro Okura, Photocatalysis: science and technology, Springer, 2002. ISBN 3540434739
- Kimura et all., Photocatalytic degradation of nonionic surfactants with immobilized TiO2 in an airlift reactor. 2004 Dep. Appl. Chemistry, Toyo University Kawagoe Japan
