В настоящее время наблюдается все возрастающий интерес к применению фотокатализатора на основе оксида титана (TiO2). Фотокатализ является достаточно недорогой и легко применяемой технологией, способной решать многие задачи, при этом не требуя практически никаких затрат в процессе эксплуатации. Для фотокатализа нужен сам катализатор (TiO2), который не расходуется, и солнечный свет или ультрафиолетовое излучение.
Как работает фотокатализатор TiO2
Оксид титана при поглощении кванта света с энергией более 3,2 эВ (это свет с длиной волны менее 385 нм – ультрафиолет) генерирует свободные носители зарядов – отрицательные электроны и положительные вакансии (дырки).
Электроны и дырки, выходя на поверхность TiO2, вступают в окислительно-восстановительные реакции с кислородом и парами воды из воздуха либо водой. В процессе этих реакций образуются сильные окислители (О2-, -ОН, и радикалы), которые непосредственно и взаимодействуют с различными органическими загрязнениями. Образование такого рода частиц делает поверхность TiO2 очень сильным окислителем, что позволяет разлагать вредные вещества путем их фотокаталитического окисления до безопасных H2O и СО2.
Следует отметить, что оксид титана, который встречается в природе в различных модификациях (анатаз, рутил, брукит) как правило, не является фотокатализатором. Для получения фотокаталитических свойств TiO2 должен быть синтезирован в определенных условиях и иметь наноразмерную структуру.
Процесс вакуумно-плазменного нанесения позволяет получать высокоэффективные фотокаталитические покрытия TiO2 наноструктурного размера, а также легировать получаемые покрытия в процессе нанесения. Легирование, например азотом, уменьшает ширину запрещенной зоны полупроводника (TiO2). Это позволяет оксиду титана генерировать электроны и дырки как при ультрафиолетовом излучении, так и при некоторых длинах волн видимого света (это кванты света с более низкой энергией).
Другими словами, за счет легирования оксида титана может повышаться его эффективность.
Чем удобен в использовании фотокатализатор TiO2, полученный в процессе вакуумно-плазменного напыления
Возможно нанесение на различные поверхности, хорошая адгезия к разным материалам.
На сегодняшний день существует несколько различных технологий по получению фотокаталитического оксида титана. Однако большинство методов позволяют получать только порошкообразный фотокатализатор, применение которого ограничено.
Это связано с трудностью освещения фотокатализатора и необходимостью выделения его из реакционной среды. В связи с этим основной акцент делается на создании наноструктурных покрытий из TiO2. Вакуумно-плазменное напыление позволяет нам получать эффективный, наноструктурный фотокатализатор на широком спектре поверхностей (стекло, металл, ткань и т.д.).
Покрытия из TiO2 обладают высокой адгезией к поверхности, не отваливаются и не смываются. Любую поверхность с напылением из TiO2 легко позиционировать для облучения светом, в отличие от порошков, которые надо еще как-то разместить и зафиксировать на поверхности.
Легко интегрировать в существующие и новые УФ устройства.
Возможность наносить TiO2 на поверхности деталей в устройствах ультрафиолетовых очистителей и обеззараживателей позволяет многократно улучшить их характеристики. При этом не потребуется вносить какие-либо значимые конструктивные изменения в данные устройства.
Возможность наносить на большие по площади поверхности. Важно для эффективной очистки и, особенно, для промышленных установок.
Наиболее высокая эффективность любых фотокаталитических устройств напрямую зависит от площади поверхности фотокатализатора, контактирующей с очищаемой средой (воздух, вода). Другими словами: чем больше площадь освещенного УФ фотокатализатора, тем эффективнее будет очистка и обеззараживание.
Это особенно важно для различных промышленных установок, где потоки очищаемого воздуха могут быть очень значительными. В таких установках площадь панелей с фотокатализатором, которые размещаются в воздуховодах, может быть десятки или даже сотни квадратных метров.
Как оценить работу фотокатализатора TiO2
Существуют различные методики оценки фотокаталитической активности как отдельно фотокатализаторов, так и фотокаталитических фильтров и устройств в целом.
Для TiO2 на сплошной поверхности одним из самых простых методов является оценка краевого угла смачивания. Как известно, фотокаталитический TiO2 после облучения УФ светом обладает гидрофильными свойствами. Капля воды смачивает поверхность и растекается.
Второй, более информативный метод оценки фотокатализатора – это оценка разложения органического красителя (потери цвета) за счет фотокатализа. Краситель может быть разный. Наиболее часто используют раствор метилена голубого, как наиболее наглядный.
На фото испытательная установка и результат теста по различным материалам подложки и разным фотокаталитическим покрытиям. Сравнительный тест: все подложки одинакового размера и погружены в одинаковый объем раствора метилена голубого. В одном цикле подверглись облучению УФ источником с одинаковой интенсивностью и одинаковое время. Результат, как на фото, может быть оценен визуально, либо с применением спектрометрических приборов.
Методы, оценивающие воздействие фотокаталитических фильтров и устройств на вирусы, микробы, споры плесневых грибов, на разложение различных органических соединений — более сложны. Требуют соответствующего аналитического оборудования. Такими методами оценивают уже не только фотокатализатор. В большей степени идет оценка устройства в комплексе с выявлением преимуществ либо недостатков конкретной конструкции.
При проектировании и изготовлении фотокаталитических устройств необходимо учитывать различные факторы. Более подробно об этом можно ознакомиться в статье «Как сделать эффективный фотокаталитический фильтр». О различных областях применения можно ознакомится в статье «Применение фотокатализа и фотокаталитических покрытий».