Fotocatalizzatori: semiconduttori, fotocatalisi

I fotocatalizzatori sono materiali che, a seguito di interazione con la luce a una data lunghezza d’onda, sono in grado di  accelerare una reazione chimica.
I fotocatalizzatori sono tipicamente costituiti da ossidi metallici, solfuri metallici, ossisolfuri, ossinitruri e loro compositi

Sono  sostanze  che hanno la tendenza a degradare una varietà di sostanze chimiche organiche, petrolchimiche e farmaceutiche e a disinfettare da una vasta gamma di agenti patogeni.

Nanoparticelle di ossido di metallo come ossido di zinco ZnO e biossido di titanio TiO₂, stannato di zinco  Zn₂SnO₄  e materiali semiconduttori a base di ossido di tungsteno WO₃ hanno attività antibatteriche.

Semiconduttori e fotocatalizzatori

La fotocatalisi avviene in presenza di un semiconduttore e la luce. Il substrato che assorbe la luce e funge da catalizzatore è noto come fotocatalizzatore che è un semiconduttore. La fotocatalisi è quindi un fenomeno in cui una coppia elettrone-lacuna è generata dall’esposizione di un materiale semiconduttore alla luce.

Quando un fotocatalizzatore è esposto alla luce della lunghezza d’onda opportuna l’energia dei fotoni è assorbita da un elettrone della banda di valenza ed è eccitato fino alla banda di conduzione. In questo processo è creata una lacuna  h⁺ nella banda di valenza.

Questo elettrone eccitato è utilizzato per ridurre un accettore in cui è utilizzata una lacuna per l’ossidazione delle molecole del donatore.

Il destino dell’elettrone eccitato e della lacuna è deciso dalle posizioni relative delle bande di conduzione e di valenza del semiconduttore e dai livelli redox del substrato.

Fotocatalisi

Le reazioni fotocatalitiche possono essere classificate in due tipi in base all’aspetto dello stato fisico dei reagenti e si classificano come

• omogenea: quando sia il semiconduttore che il reagente si trovano nella stessa fase, cioè gas, solido o liquido
• eterogenea: quando sia il semiconduttore che il reagente si trovano in fasi diverse

Quando il fotocatalizzatore è esposto alla luce in presenza di vapore acqueo, si formano due sostanze altamente reattive: i radicali idrossilici ^· OH e l’ anione superossido O₂^–. Ciò consente l’ossidazione dei Composti Organici Volatili presenti nell’aria e delle sostanze organiche tossiche in anidride carbonica e acqua a temperatura ambiente con sorgente luminosa.

Proprietà

I fotocatalizzatori sono materiali  che possono facilmente alterare l’energia solare per utilizzarla in attività di ossidazione e riduzione utilizzati in diverse aree, come l’eliminazione degli inquinanti dall’aria e dall’acqua, la scissione dell’acqua per generare H₂, il controllo degli odori, l’inattivazione delle cellule tumorali e l’inattivazione dei batteri. 

Negli ultimi dieci anni, i fotocatalizzatori hanno suscitato grande interesse a causa del loro potenziale nell’eliminazione di composti tossici e pericolosi dall’ambiente. Le ferriti sono materiali fotocatalizzatori che utilizzano efficacemente la luce visibile per i processi di ossidazione.

Le loro dimensioni, forma e struttura complessiva possono influenzare l’attività fotocatalitica ferritica. L’attività cambia con il trattamento termico del fotocatalizzatore, poiché la struttura cristallina e i difetti superficiali possono cambiare con il trattamento termico. I fotocatalizzatori provocano la generazione di ossigeno reattivo, che aiuta nella decomposizione dei contaminanti. Incorporando due fotocatalizzatori con diversi gap di banda si ottiene una maggiore separazione delle coppie elettrone/lacuna, dove esisterebbero più specie per le reazioni di degradazione dei contaminanti.

Dall’emergere dei fotocatalizzatori come opzione praticabile per il controllo dell’inquinamento ambientale, sono stati compiuti sforzi per migliorare la loro velocità di reazione o attività fotocatalitica. Negli ultimi anni si è prestata sempre più attenzione ai fotocatalizzatori di ossidi semiconduttori a causa delle loro potenziali applicazioni nella conversione dell’energia solare e nella purificazione ambientale. 

Vantaggi

Il fotocatalizzatore presenta i seguenti vantaggi rispetto alle tecnologie tradizionali di purificazione dell’aria e dell’acqua:

• distruzione dell’inquinante piuttosto che un semplice trasferimento su un substrato
• degradazione dell’inquinante a temperatura e pressione ambiente
• economicità e basso consumo energetico
• adattabilità per un’ampia gamma di inquinanti