Fotocatálisis

Quan es parla de fotocatálisis es fa referència a una reacció catalítica que involucra l'absorció de llum per part d'un catalisador o substrat.

En la química, la fotocatálisis és l'acceleració d'una fotorreacción en presència d'un catalisador. En la catálisis fotogenerada, l'activitat fotocatalítica (PCA) depén de la capacitat del catalisador per a crear parells electró-buit, que generen radicals lliures (per eixemple, radicals hidroxilo : • OH) capaços de sofrir reaccions secundàries. Es va fer possible la seua aplicació pràctica pel descobriment de la electrólisis de l'aigua per mig de diòxit de titani . El procés utilisat comercialment es diu el procés d'oxidació alvançada (AOP). Hi ha vàries formes de que la AOP es pot portar a terme, els quals poden (pero no necessàriament) implicar el TiO 2 o inclús l'us de la llum UV. En general, el factor de definició és la producció i l'us del radical hidroxilo.

Durant el procés fotocatalítico, tal com s'explica més alvance, ocorren tant reaccions d'oxidació com de reducció, per lo que no només es pot aplicar la fotocatálisis a l'oxidació de composts orgànics, sino també a la reducció d'ions inorgànics i a la reducció d'atres composts orgànics.

Procés fotocatalítico

La fotocatálisis implica la combinació de la fotoquímica en la catálisis. Abdós, llum i catalisador, són necessaris per a alcançar o accelerar una reacció química. Aixina, la fotocatálisis pot ser definida com l'acceleració d'una fotorreacción per mig d'un catalisador.

L'etapa inicial del procés consistix en la generació d'un parell electró-buit en les partícules del semiconductor. Quan un fotó en energia $E = h ν$ , que iguala o supera l'energia del bot de banda del semiconductor, $E_{g}$ , incidix sobre este, es promou un electró, i^-, de la banda de valència cap a la banda de conducció, generant-se un buit, h+, en la banda de valència. L'energia de banda prohibida es definix com la diferència energètica de la banda de valència i la banda de conducció d'un fotocatalizador.

Tipos de fotocatálisis

Fotocatálisis homogénea

En la fotocatálisis homogénea, els reactius i els fotocatalizadores existixen en la mateixa fase. Els fotocatalizadores homogéneus més comunament usats són l'ozon i els sistemes de foto-Fenton (Fe⁺ i Fe⁺/H₂O₂). L'espècie reactiva és el •OH que s'utilisa per a diferents propòsits. El mecanisme de producció de radicals hidroxilo per l'ozon pot seguir dos camins.^[1]

O₃ + hν → O₂ + O(1D)

O(1D) + H₂O → •OH + •OH

O(1D) + H₂O → H₂O₂

H₂O₂ + hν → •OH + •OH

Análogament, el sistema Fenton produïx radicals hidroxilo pel següent mecanisme.^[2]

Fe²⁺ + H₂O₂→ HO• + Fe³⁺ + OH⁻

Fe³⁺ + H₂O₂→ Fe²⁺ + HO•2 + H⁺

Fe²⁺ + HO• → Fe³⁺ + OH⁻

En els processos de tipo foto-Fenton, es deuen considerar fonts adicionals de radicals OH: a través de la fotólisis d'H₂O₂, i a través de la reducció dels ions Fe³⁺ baix la llum UV:

H₂O₂ + hν → HO• + HO•

Fe³⁺ + H₂O + hν → Fe²⁺ + HO• + H⁺

L'eficiència dels processos de tipo Fenton està influenciada per varis paràmetros operatius com la concentració de peròxit d'hidrogen, el pH i l'intensitat dels rajos ultravioleta. La principal ventaja d'este procés és la capacitat d'utilisar la llum solar en una sensibilitat lumínica de fins a 450 nm, evitant aixina els alts costs de les llànties UV i l'energia elèctrica. S'ha demostrat que estes reaccions són més eficients que les d'atres fotocatálisis, pero les desventages del procés són els baixos valors de pH que es requerixen, ya que el ferro precipita a valors de pH més alts i el fet de que el ferro té que ser eliminat despuix del tractament.

Fotocatálisis heterogénea

La fotocatálisis heterogénea té el catalisador en una fase diferent dels reactius. Este tipo de fotocatális és una disciplina que inclou una gran varietat de reaccions: oxidació lleus o totals, deshidrogenació, transferència d'hidrogen, intercanvi isotòpic de 18O2-16O2 i deuteri-alcano, la deposición de metals, la desintoxicació de l'aigua, l'eliminació de contaminants gaseosos.

En un mecanisme de la reacció oxidativa, els forats positius reaccionen en la humitat present en la superfície i produïxen un radical hidroxilo. La reacció comença en la generació de excitones fotoinducidos en la superfície de l'òxit metàlic (MO significa òxit metàlic):

MO + hν → MO (h⁺ + i⁻)

Reaccions oxidativas per efecte fotocatalítico:

h⁺ + H₂O → H⁺ + •OH

2 h⁺ + 2 H₂O → 2 H⁺ + H₂O₂

H₂O₂→ 2 •OH

Reaccions reductores per efecte fotocatalítico:

i⁻ + O₂ → •O₂⁻

•O₂⁻ + H₂O + H⁺ → H₂O₂ + O₂

H₂O₂ → 2 •OH

En última instància, els radicals de hidroxilo es generen en abdós reaccions. Estos radicals hidroxilo són de naturalea molt oxidativa i no selectiva en un potencial redox de (E0 = +3,06 V)[22]

Referències

↑ “Decolorization of Reactive Ret 2 by advanced oxidation processes: Comparative studies of homogeneous and heterogeneous systems” (2006). Journal of Hazardous Materials 128 (2–3): 265–72. doi:10.1016/j.jhazmat.2005.08.013. PMID 16182444.
↑ “Comparative study of UV/TiO2, UV/ZnO and photo-Fenton processes for the organic reactive dye degradation in aqueous solution” (2007). Journal of Hazardous Materials 148 (1–2): 477–84. doi:10.1016/j.jhazmat.2007.02.072. PMID 17400374.

Este artícul conté una traducció derivada de «Fotocatálisis» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[1] “Decolorization of Reactive Ret 2 by advanced oxidation processes: Comparative studies of homogeneous and heterogeneous systems” (2006). Journal of Hazardous Materials 128 (2–3): 265–72. doi:10.1016/j.jhazmat.2005.08.013. PMID 16182444.

[2] “Comparative study of UV/TiO2, UV/ZnO and photo-Fenton processes for the organic reactive dye degradation in aqueous solution” (2007). Journal of Hazardous Materials 148 (1–2): 477–84. doi:10.1016/j.jhazmat.2007.02.072. PMID 17400374.

[1]

[2]