Nella fotocatalisi omogenea, catalizzatori e reagenti sono nella stessa fase e distribuiti uniformemente cioè entrambi possono essere, ad esempio, sotto forma di gas.
I complessi di metalli di transizione come rutenio e iridio sono comuni fotocatalizzatori omogenei perché mostrano un’adeguata stabilità e gap di banda elettronico adeguato
La fotocatalisi omogenea, 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.
Fotocatalizzatori nella fotocatalisi omogenea
Gli esempi più comuni di fotocatalizzatori per la fotocatalisi omogenea sono l’ozono e i sistemi foto-Fenton (Fe 2+ /H2O2). Qui la specie reattiva deve essere il radicale ossidrile (•OH) che tende ad essere utilizzato per vari scopi e obiettivi.
Ozono
Il meccanismo di produzione di radicali idrossilici da parte dell’ozono può seguire questo percorso:
O3 + hν → O2 + O(1D)
Dove:
O(1D) è il primo stato eccitato dell’ossigeno
h è la costante di Planck
ν è la frequenza della radiazione
O(1D) + H2O → •OH + •OH
O(1D) + H2O → H2O2
H2O2 + hν → •OH + •OH
Sistema di Fenton
Analogamente il sistema di Fenton produce il radicale ossidrile (•OH) secondo il meccanismo:
Fe2+ + H2O2 → •OH + Fe3+ + OH–
Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + •OOH + H+
Fe2+ + •OH → Fe3+ + OH–
Tale processo è influenzato da vari parametri come la concentrazione di perossido di idrogeno, il pH e l’intensità della luce U.V. Il vantaggio di questo processo è la capacità di utilizzare la luce solare con una sensibilità alla luce fino a 450 nm. Quindi si risparmiano i costi elevati delle lampade U.V. e dell’energia elettrica.
Questo tipo di reazioni in fotocatalisi omogenea si sono rivelate più convenienti ed economiche rispetto agli altri tipi di fotocatalisi. Tuttavia si deve operare a bassi valori di pH al di sopra dei quali il ferro precipiterebbe ed inoltre un altro svantaggio è l’eliminazione del ferro dopo il trattamento.
Nitruro di carbonio
Il nitruro di carbonio polimerico è un materiale 2D è un fotocatalizzatore utilizzato per ossidare contaminanti e coloranti o per produrre idrogeno dall’acqua. Tuttavia, la scarsa solubilità del nitruro di carbonio ne rende difficile l’uso per una catalisi omogenea.
Per massimizzare l’attività del nitruro di carbonio e superare i limiti della scarsa solubilità si è seguito l’esempio degli enzimi, per rendere accessibili tutti i siti catalitici tramite reazioni omogenee.
Pertanto il CN è stato solubilizzato in acido metansolfonico CH₃SO₃H che è il più semplice degli acidi alchilsolfonici ed è un solvente ecologico. Tramite fotocatalisi omogenea si sono avute velocità di reazione fino a 10 volte più rispetto a quelle che avvengono secondo una catalisi eterogenea.
Le sfide future
La fotocatalisi omogenea presenta problematiche inerenti la separazione dei prodotti desiderati dal catalizzatore e dalle specie reattive indesiderate. Poiché il catalizzatore è solubile nella soluzione, può essere difficile separarlo dai prodotti di reazione.
Inoltre, il catalizzatore può subire reazioni collaterali indesiderate con altre specie presenti nella soluzione, che possono influire sulla selettività e sull’efficienza complessiva del processo.
Per affrontare queste sfide, sono state sviluppate varie strategie, come l’uso di leganti che possono coordinarsi al catalizzatore per facilitarne la separazione o la modifica del catalizzatore stesso per migliorare la sua selettività e attività. La ricerca nella fotocatalisi omogenea è ancora in corso per affinare le metodologie e sviluppare catalizzatori più efficienti.