Fotocatalisi eterogenea: fotocatalizzatori

Nella fotocatalisi eterogenea, che trova applicazioni in un elevato numero di reazioni, i catalizzatori e i reagenti si trovano in fasi diverse
La fotocatalisi eterogenea si basa sulla conoscenza della catalisi eterogenea, fotochimica, spettroscopia e  semiconduttori e isolanti

Nella fotocatalisi eterogenea il catalizzatore è solitamente un materiale semiconduttore in grado di assorbire i fotoni in arrivo. Le reazioni fotocatalitiche, cioè l’ossidazione e la riduzione rispettivamente dei donatori e degli accettori, si verificano o all’interfaccia tra il semiconduttore e il mezzo gassoso o liquido (normalmente acquoso) o nelle sue vicinanze nel fluido

Fotocatalizzatori eterogenei

In generale, i fotocatalizzatori eterogenei comunemente sono ossidi di metalli di transizione e semiconduttori. Questi ultimi presentano una banda proibita ovvero un l’intervallo di energia interdetto agli elettroni in cui non avviene il ricongiungimento di un elettrone e un buco prodotto dalla fotoattivazione nella sostanza solida.

In questo processo un fotone con energia uguale o superiore a quella del gap di banda è assorbito dal semiconduttore, quindi un elettrone passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione generando un buco positivo. L’elettrone e la lacuna eccitati possono ricombinarsi o ricongiungersi e rilasciare l’energia che hanno guadagnato quando l’elettrone è stato eccitato sotto forma di calore.

In questo processo un fotone con energia uguale o superiore a quella del gap di banda è assorbito dal semiconduttore utilizzato, quindi un elettrone passa dalla banda di valenza a quella di conduzione, generando un buco positivo nella banda di valenza.

Per il processo fotocatalitico, il semiconduttore più adatto è il TiO₂ . È utilizzato per le sue proprietà di atossicità, facile attivazione da parte dei raggi U.V., stabilità chimica, compatibilità ambientale, inerzia, resistenza alla corrosione e basso costo.

Meccanismo della fotocatalisi eterogenea

Il meccanismo della reazione ossidativa mostrato di seguito, descrive i fori positivi che reagiscono con l’umidità presente sulla superficie del materiale (ossido metallico) e producono un radicale ossidrile (•OH). Questa reazione inizia con la generazione di eccitoni fotoindotta nella superficie dell’ossido di metallo (dove MO sta per ossido di metallo):

MO + hν → MO( h⁺ + e^–)

Dove h⁺ è il buco positivo nella banda di valenza

Le razioni ossidative dovute all’effetto fotocatalitico sono:

h⁺ + H₂O → H⁺ + •OH

2 h⁺ + 2 H₂O → 2 H⁺ + H₂O₂

H₂O₂→ 2  •OH

Mentre quelle riduttive sono:

e^– + O₂ → O₂^–

O₂^– + H₂O + H⁺ → H₂O₂ + O₂

H₂O₂→ 2  •OH
Il radicale ossidrile prende parte all’ossidazione di molte sostanze inquinanti presenti nella troposfera come i composti organici volatili. Inoltre è in grado di degradare anche molecole come HCl, SO₂, CO, NH₃ e CH₄.

Fotocatalisi Solare: una Frontiera Promettente

Tra i diversi processi di ossidazione avanzata, la fotocatalisi solare, che è una fotocatalisi eterogenea, sta attirando un interesse crescente come tecnologia sostenibile per il trattamento delle acque. In particolare, l’utilizzo dell’energia solare per attivare il processo fotocatalitico rappresenta una soluzione innovativa e a basso impatto ambientale.
Nella fotocatalisi eterogenea solare, materiali semiconduttori come il biossido di titanio (TiO₂) vengono irradiati dalla luce solare, generando coppie elettrone-lacuna che, reagendo con l’acqua e l’ossigeno disciolti, danno origine a radicali altamente reattivi capaci di degradare un’ampia varietà di contaminanti organici.

Questo approccio offre diversi vantaggi: la riduzione dei costi energetici, l’assenza di necessità di sorgenti luminose artificiali e l’impiego di una risorsa rinnovabile e gratuita come la luce solare.
Nonostante le sfide legate all’efficienza ancora limitata dei fotocatalizzatori sotto luce visibile e alla necessità di ottimizzare i reattori su scala reale, la fotocatalisi solare si configura come una potenziale alternativa verde ai tradizionali sistemi di trattamento, in linea con gli obiettivi di sostenibilità ambientale e di economia circolare.

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