La fotocatalisi è un processo in cui si verifica una variazione della velocità di una reazione chimica sotto l’azione di una radiazione ad opportuna lunghezza d’onda e in presenza di catalizzatore.
Il rapido sviluppo industriale comporta una forte dipendenza dalle fonti energetiche non rinnovabili e un aumento della concentrazione di CO2 atmosferica.
I cambiamenti climatici dovuti all’effetto serra per la presenza di gas serra comportano la necessità di sviluppare nuove energie per uno sviluppo sostenibile. L’ energia solare costituisce una risorsa per superare la crescente domanda globale annuale di energia.
La natura diurna e intermittente di questa fonte energetica, tuttavia, presenta sfide significative in termini di raccolta, stoccaggio e utilizzo.
Storia della fotocatalisi
Già nel 1901 il chimico Giacomo Ciamician condusse esperimenti per studiare se la luce potesse consentire reazioni chimiche diventando il pioniere di questa branca della chimica.
Nel 1911 comparve per la prima volta nella letteratura scientifica il termine fotocatalisi dall’osservazione dello sbiancamento del blu di Prussia da parte dell’ossido di zinco a seguito di interazione con la luce. Questa osservazione aprì la strada a esperimenti utilizzando ZnO come fotocatalizzatore per altre reazioni come la riduzione di Ag+ ad Ag sotto irraggiamento. Successivamente si usarono TiO2 e per la riduzione fotocatalitica di AgNO3 ad Ag e di AuCl3 ad Au.
Queste ricerche sembravano essere relegate al campo accademico fin quando, a partire dagli anni ’70 dello scorso secolo, la crisi petrolifera da un lato e le problematiche ambientali dall’altro, spinsero gli scienziati a ulteriori ricerche
Fasi
La fotocatalisi, pur variando in termini di reazioni e meccanismi, può essere descritta da quattro fasi:
- assorbimento della luce per generare coppie elettrone-lacuna
- separazione delle cariche eccitate
- trasferimento di elettroni e di lacune sulla superficie dei fotocatalizzatori
- utilizzo di cariche sulla superficie per reazioni redox
Nella terza fase gran parte di coppie elettrone-lacuna si ricombina, sia verso la superficie che sui siti di superficie. La ricombinazione dissipa l’energia raccolta sotto forma di calore o emissione di luce.
Le cariche presenti sulla superficie hanno il potenziale per promuovere diverse reazioni redox che dipendono dalle proprietà di donatori o accettori delle specie assorbite dalla superficie.
Fotocatalisi omogenea
La fotocatalisi omogenea, prevede l’esistenza di reagenti e fotocatalizzatori nella stessa fase, cioè entrambi possono essere sotto forma di gas.
Uno degli esempi molto comuni di fotocatalizzatori omogenei è l’ozono e i sistemi foto-Fenton (Fe 2+ /H 2O 2). Qui la specie reattiva deve essere il radicale ossidrile (•OH) che tende ad essere utilizzato per vari scopi e obiettivi.
L’efficacia di questo processo è influenzata da vari parametri come la concentrazione di perossido di idrogeno, il pH e l’intensità della luce UV.
Il vantaggio di questo processo è la capacità di utilizzare la luce solare con una sensibilità alla luce fino a 450 nm. Si risparmia, quindi, l’uso dei costi elevati delle lampade UV e dell’energia elettrica. Questo tipo di reazioni si sono rivelate più convenienti ed economiche rispetto agli altri tipi di fotocatalisi, tuttavia i principali svantaggi di questo processo sono i bassi valori di pH, che sono necessari, poiché il ferro precipita a valori di pH più elevati ed inoltre deve essere eliminato dopo il trattamento .
Fotocatalisi eterogenea
La fotocatalisi eterogenea coinvolge una varietà di reazioni come reazioni di ossidazione, deidrogenazione, reazioni di trasferimento dell’idrogeno, reazioni di scambio isotopico, deposizione di metalli, disintossicazione dell’acqua, processo di rimozione degli inquinanti gassosi.
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.