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

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.

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