La fotocatalisi è un processo che utilizza la luce per attivare un materiale, il fotocatalizzatore, che a sua volta innesca reazioni chimiche. In pratica, è come usare la luce per far avvenire delle trasformazioni chimiche, spesso per purificare l’aria o l’acqua.
La storia della fotocatalisi
1972
Il vero punto di svolta
Quando Akira Fujishima e Kenichi Honda pubblicano uno studio sulla fotocatalisi dell’acqua utilizzando TiO₂ come anodo in una cella elettrochimica. Essi dimostrano che, sotto esposizione alla luce, il biossido di titanio può decomporre l’acqua in ossigeno e idrogeno, aprendo la strada alle applicazioni energetiche e ambientali della fotocatalisi.
L'espansione della ricerca avviene tra il 1970 ed il 1990
Gli sviluppi recenti dal 2000 ad oggi hanno permesso il Miglioramento del TiO₂ con Introduzione di dopanti (N, C, metalli) per attivare il materiale anche con luce visibile, superando la limitazione della necessità di radiazione UV. Le applicazioni industriali si ritrovano in vernici fotocatalitiche, materiali sanitari, sistemi di abbattimento degli inquinanti atmosferici e rivestimenti autopulenti.
Attualmente, la applicazione nella Ricerca energetica, il Biossido di titanio (TiO₂) si studia per la produzione di idrogeno e l'integrazione in celle solari avanzate.
Oggi, la fotocatalisi con TiO₂ è un settore in forte crescita, con sviluppi nella nanotecnologia, nei materiali ibridi e nei sistemi avanzati per la decontaminazione ambientale. Il potenziale per migliorare l’efficienza e ridurre i costi la rende una tecnologia promettente per l’energia rinnovabile e la sostenibilità ambientale.
Il suo funzionamento
La tecnologia fotocatalitica basata sul biossido di titanio (TiO₂) sfrutta le proprietà di questo materiale semiconduttore per attivare reazioni in presenza di luce. Questo processo viene impiegato per la decomposizione di inquinanti, la disinfezione e la purificazione dell’aria e dell’acqua, trovando applicazioni in vari settori, tra cui sanità, agricoltura, trasporti ed edilizia.
Quando il TiO₂ viene irradiato con luce o, in alcune varianti avanzate, con luce visibile, gli elettroni nella sua banda di valenza vengono eccitati e trasferiti alla banda di conduzione. Questo genera coppie elettrone-lacuna (e⁻/h⁺), che danno origine a una serie di reazioni ossidative:
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Gli elettroni riducono l’ossigeno molecolare (O₂) formando superossidi (O₂⁻)
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Le lacune ossidano le molecole d’acqua (H₂O) producendo radicali idrossilici (OH)
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I radicali idrossilici e altre specie ossidanti attaccano e degradano composti organici volatili (COV), batteri, virus, NOx, SOx, e altri contaminanti trasformandoli in sostanze innocue come CO₂ e H₂O.
Quali sono le principali applicazioni di questa tecnologia?
Purificazione dell’aria
Rivestimenti fotocatalitici su superfici edilizie e urbane possono abbattere inquinanti come NOx e VOC.
Sanificazione ambientale
Utilizzato in ospedali, mezzi di trasporto e spazi pubblici per eliminare virus, batteri e muffe.
Trattamento delle acque
Impiegato in impianti di depurazione per rimuovere contaminanti organici e patogeni.
Rivestimenti autopulenti
Materiali trattati con TiO₂ possono mantenere superfici più pulite riducendo l’adesione di sporco e microrganismi.
Fotocatalisi per l’energia
Studi in corso sulla produzione di idrogeno dall’acqua mediante fotocatalisi solare.
Questa tecnologia è in continua evoluzione, con ricerche volte a migliorare l’efficienza del TiO₂, estendendo l’attività anche alla luce visibile attraverso modifiche strutturali e l’aggiunta di dopanti come azoto, carbonio o metalli di transizione.
