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La fotocatalisi utilizza semiconduttori come il biossido di titanio, TiO2, per accelerare reazioni chimiche mediante energia luminosa. Tra i semiconduttori più comuni figurano TiO2, ZnO, CeO2, ZrO2, SnO2, CdS e ZnS, con TiO2 che si distingue per la sua elevata attività fotocatalitica e diffusione industriale grazie al basso costo e alla disponibilità naturale[1]. La struttura a bande dei semiconduttori è cruciale: la banda di valenza è separata dalla banda di conduzione da una banda proibita o band gap, in cui gli elettroni non possono trovarsi. Solo quando l’energia del fotone incidente è pari o superiore a questo band gap, un elettrone può essere eccitato dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando una lacuna nella banda di valenza. Gli elettroni e le lacune così generate migrano alla superficie del cristallo, dove reagiscono con le specie adsorbite (accettori o donatori di elettroni), generando radicali liberi fortemente reattivi che attaccano gli agenti inquinanti[1].
Il band gap del TiO2 è circa 3,2 eV, corrispondente a lunghezze d’onda nell’ultravioletto. Sebbene la radiazione UV costituisca solo una piccola frazione della luce solare, essa fornisce comunque un numero sufficiente di fotoni per attivare la fotocatalisi con questo materiale[1]. Questo limite intrinseco impone sfide nella progettazione di materiali che possano operare efficacemente anche con radiazioni visibili, poiché aumentare il band gap riduce la radiazione utile per la fotocatalisi.
L’efficienza della fotocatalisi dipende fortemente dalla superficie attiva disponibile. Ridurre le dimensioni del catalizzatore a scala nanometrica incrementa drasticamente il rapporto superficie/volume. La nanofotocatalisi sfrutta particelle con diametri dell’ordine delle decine di nanometri per massimizzare le interazioni tra elettroni-lacuna e specie adsorbite[1]. Particelle più piccole riducono anche i difetti reticolari che agiscono come centri di ricombinazione degli elettroni con le lacune; quindi gli elettroni migrano più rapidamente verso la superficie in tempi molto brevi, aumentando la probabilità di reazioni redox efficaci[1].
In particolare il biossido di titanio in forma nanometrica assume prevalentemente la fase anatase, più stabile su questa scala rispetto al rutilo ed estremamente efficiente nei processi fotocatalitici[1].
La fotocatalisi è applicata con successo nella purificazione delle acque reflue e nell’abbattimento degli agenti inquinanti atmosferici. I principali inquinanti trattati includono anidride carbonica (CO2), ossidi di zolfo (SOx), ossidi di azoto (NOx), monossido di carbonio (CO), idrocarburi policiclici aromatici (IPA), composti organici volatili (COV) e particolato fine PM10[1].
Le reazioni tipiche coinvolgono radicali ossidrilici (\(\text{OH}^*\)) altamente reattivi generati alla superficie delle nanoparticelle che ossidano gli inquinanti trasformandoli in prodotti meno nocivi o innocui[1]. Ad esempio, nel trattamento dei NOx si osservano le seguenti reazioni:
\[
\text{NO} + \text{OH}^* \rightarrow \text{NO}_2 + \text{H}^+
\]
\[
\text{NO}_2 + \text{OH}^* \rightarrow \text{NO}_3^- + \text{H}^+
\]
Questi processi convertono NO e NO2 in nitrati meno tossici che possono poi ricombinarsi con ioni alcalini presenti nei pori del cemento formando sali inerti, oppure essere dilavati come acido nitrico molto diluito[1].
L’integrazione della fotocatalisi nei materiali da costruzione ha dato origine ai cementi fotocatalitici. Questi sono ottenuti incorporando dal 10 al 15% in peso di nanocristalli di TiO2 in forma anatase nel calcestruzzo. Le nanoparticelle hanno un diametro intorno a 20 nm[1].
La struttura porosa del cemento e l’elevata superficie specifica delle nanoparticelle espongono una vasta area attiva all’aria; sotto l’esposizione alla luce solare si attivano forti processi ossidativi capaci di decomporre inquinanti atmosferici direttamente sulle superfici urbane senza necessità di impianti complessi. Questa tecnologia si presta particolarmente nelle aree ad alta densità veicolare dove lo smog rappresenta un problema ambientale rilevante.
Un vantaggio secondario consiste nella riduzione dello sporco da polveri e nerofumo sulle facciate degli edifici: eliminando gli agenti organici responsabili dell’adesione delle polveri si limita il degrado estetico dei manufatti edilizi[1].
I COV sono responsabili dei cattivi odori negli ambienti chiusi; questi comprendono sostanze quali tricloroetilene (\(\text{C}_2\text{HCl}_3\)), acetone (\(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\)), 1-butanolo (\(\text{C}_4\text{H}_{10}\text{O}\)), butanale (\(\text{C}_4\text{H}_8\text{O}\)), m-xilene (\(\text{C}_8\text{H}_{10}\)), 1,3-butadiene (\(\text{C}_4\text{H}_6\)), toluene (\(\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_3\)) e formaldeide (\(\text{CH}_2\text{O}\))[1].
La fotocatalisi con nanoparticelle TiO2 conduce alla loro decomposizione completa in CO2 e acqua. Buona parte della CO2 prodotta reagisce nei pori del cemento formando semplice calcare inerte (\(\text{CaCO}_3\))[1].
La riduzione fotocatalitica della CO2 mira alla sintesi sostenibile di carburanti utilizzando energia solare per rompere il legame C=O dell’anidride carbonica generando nuovi legami C-C e C-H. Questo processo è stato ottenuto principalmente a livello laboratoristico senza ancora applicazioni commercialmente consolidate[1].
Il termine catalisi fu introdotto nel 1835 da J. Jacob Berzelius nel suo rapporto “Årsberättelse om framstegen i fysik och kemi” pubblicato dall’Accademia Reale Svedese delle Scienze; egli definì il catalizzatore come sostanza capace d’aumentare la velocità delle reazioni chimiche senza consumarsi significativamente durante il processo[2]. La catalisi rappresenta oggi un pilastro fondamentale della chimica industriale moderna: oltre il 90% dei processi tecnologicamente rilevanti avviene con catalizzatori attivi.
Tra gli sviluppi storici chiave vi sono scoperte sperimentali tra XVIII e XIX secolo riguardanti fermentazione ed enzimi come catalizzatori biologici. Nel corso del XIX secolo si delineò anche la distinzione tra catalizzatori positivi che accelerano le reazioni e negativi o inibitori che rallentano i processi chimici senza modificarne l’equilibrio termodinamico fondamentale[2].
Alcuni rivestimenti contenenti semiconduttori come biossido di titanio o ossido di zinco possono proteggere superfici esposte agli agenti atmosferici degradanti grazie all’attività fotoindotta contro depositi carboniosi e polveri inorganiche provenienti da traffico automobilistico o impatti industriali. L’applicazione sui calcestruzzi cementizi consente alle costruzioni una maggiore resistenza all’invecchiamento superficiale mantenendo l’aspetto originario più a lungo rispetto ai materiali non trattati[3].
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La fotocatalisi combina principi fondamentali della fisica dei semiconduttori con applicazioni pratiche importanti per l’ambiente urbano ed industriale. La ricerca sui materiali continua a migliorare l’efficienza energetica del processo ampliandone lo spettro d’azione nella luce solare visibile mentre le tecnologie basate su TiO2 nanoscalari dimostrano già ora notevoli benefici concreti sul controllo dell’inquinamento atmosferico.
English: Understanding Photocatalysis for Environmental Applications
Español: Fotocatalisis: un avance en la sostenibilidad ambiental
Deutsch: Die Photokatalyse: Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten
Français: Photocatalyse des réactions chimiques et environnementales
Русский: Фотокатализм: основы и применение в химии
Română: Fotocataliză: Tehnologii și aplicații inovatoare
Português: Fotocatálise: O Poder da Luz na Transformação Química
Hrvatski: Fotokataliza: Procesi i primjene u znanosti i tehnologiji
Sto generando il riassunto…