¿Qué es un Fotocatalizador?
Un fotocatalizador es una sustancia que aprovecha la energía de la luz para desencadenar reacciones químicas.
La historia de los fotocatalizadores se remonta a Japón, donde en 1967, Akira Fujishima, estudiante de posgrado en la Universidad de Tokio, realizó un descubrimiento significativo. Observó que cuando la luz incide sobre un electrodo de dióxido de titanio sumergido en agua, se generan burbujas. En ese momento, el dióxido de titanio (TiO2) con una estructura de cristal de anatasa era el fotocatalizador principal, aunque inicialmente solo respondía a la luz ultravioleta de longitud de onda corta.
A lo largo del tiempo, gracias a la colaboración tanto a nivel nacional como empresarial, se han desarrollado fotocatalizadores altamente efectivos que pueden ser activados por la luz visible. Esto se debe en parte a que esta tecnología es de origen japonés y cuenta con un amplio mercado de aplicaciones.
Aplicaciones de los Fotocatalizadores
Los fotocatalizadores pueden descomponer los contaminantes orgánicos siempre que dispongan de energía luminosa. Debido a sus propiedades superhidrofílicas, tienen una amplia gama de aplicaciones en campos muy diversos, aprovechando sus características.
1. Antiincrustantes y Autolimpiantes
Existen numerosos ejemplos de aplicaciones prácticas como revestimientos de materiales de construcción, como azulejos y vidrio. En zonas exteriores expuestas a la luz solar, puede utilizarse en paredes exteriores de edificios, cristales de ventanas, señales de tráfico, carteles de señalización, etc. para demostrar un efecto autolimpiante, así como efectos desinfectantes, antibacterianos y antivaho.
2. Eliminación de Sustancias Tóxicas Transportadas por el Aire
En interiores, en combinación con lámparas ultravioleta, se utilizan en purificadores de aire, desodorizantes y filtros de aire acondicionado. Además, los fotocatalizadores sensibles a la luz visible pueden utilizarse en las paredes y puertas interiores de las casas para proporcionar un control antibacteriano y de olores y ayudar a prevenir el síndrome del edificio enfermo.
3. Otros
Incluidos los que están en fase de investigación y desarrollo, los fotocatalizadores también se utilizan para purificar el agua potable, purificar los depósitos de almacenamiento de agua, purificar la atmósfera y los lagos, tratar las aguas residuales, descontaminar el suelo y para la fotosíntesis artificial (descomposición del agua para producir hidrógeno y oxígeno).
Principio de los Fotocatalizadores
Los fotocatalizadores expuestos a la radiación ultravioleta tienen un efecto oxidante que oxida y descompone las sustancias orgánicas y una propiedad superhidrofílica que no repele el agua en absoluto. De hecho, los investigadores no tienen una visión unificada sobre el mecanismo por el que los fotocatalizadores desempeñan estas funciones, en particular el mecanismo de generación de los radicales hidroxilo que se describe a continuación. Por lo tanto, aquí resumimos las explicaciones que son ampliamente y generalmente aceptadas.
1. Generación de Especies Reactivas de Oxígeno
Cuando se aplica energía luminosa a un fotocatalizador, el interior del cristal entra en un estado de alta energía y los electrones de la superficie del cristal se alejan temporalmente de la estructura cristalina. Estos electrones están cargados negativamente y los huecos (agujeros) de los que han salido los electrones están cargados positivamente, siendo ambos altamente inestables y reactivos.
Así, los electrones se combinan con el oxígeno del aire para formar O2- (ion superóxido), mientras que los huecos extraen electrones del agua que toca la superficie del catalizador para formar -OH (radical hidroxilo).
2. Acción Oxidante
Tanto el O2- como el -OH se conocen como especies reactivas del oxígeno y reaccionan con las sustancias orgánicas que entran en contacto con la superficie del catalizador para oxidarlas y descomponerlas. En este momento, el fotocatalizador favorece la reacción de oxidación convirtiendo el oxígeno y el agua en oxígeno activo, pero no participa en la reacción y no se agota. De este modo, los fotocatalizadores tienen una eficacia semipermanente.
3. Efecto Antiincrustante Debido a las Propiedades Superhidrofílicas
Se cree que el oxígeno activo descompone la materia orgánica hidrófoba fina adsorbida en la superficie del fotocatalizador, mientras que al mismo tiempo la superficie del catalizador se cubre de grupos hidroxilo (-OH), lo que da lugar al efecto superhidrofílico. Además, una película de agua penetra entre el dióxido de titanio y la suciedad, lo que facilita la eliminación de manchas grandes.
Tipos de Fotocatalizadores
Los fotocatalizadores más comunes hoy en día se basan en el dióxido de titanio o el trióxido de tungsteno. El dióxido de titanio se ha utilizado en muchos productos fotocatalizadores porque es física y químicamente estable y relativamente barato, pero al principio tenía problemas como que sólo podía utilizar la energía ultravioleta.
Para resolver este problema se desarrollaron fotocatalizadores de trióxido de tungsteno. En la actualidad hay varios productos en el mercado con innovaciones únicas para ambos.
1. Fotocatalizadores Sensibles a la luz Visible
En términos de proporción de energía en la luz solar, la luz ultravioleta es sólo alrededor del 3% y la luz visible alrededor del 50%. Los fotocatalizadores sensibles a la luz visible se desarrollaron para utilizar la enorme cantidad de energía de la luz visible.
En la actualidad se comercializan varios tipos de fotocatalizadores que responden a la luz visible, incluidos los que contienen trazas de nitrógeno o metales mezclados en la estructura cristalina del dióxido de titanio o el trióxido de tungsteno, y los que tienen metales u óxidos metálicos adheridos a su superficie.
2. Fotocatalizadores que no Dañan el Objeto a Proteger
Cuanto mayor sea el rendimiento de los fotocatalizadores, menor será la probabilidad de que se utilicen en contacto directo con materiales susceptibles de degradación oxidativa, como las fibras orgánicas. Para resolver este problema, se han comercializado fotocatalizadores que se combinan con apatita para que el dióxido de titanio no entre en contacto directo con el material, y materiales de unión que cubren la superficie del material orgánico de base para evitar el contacto directo con el fotocatalizador.