FOTOKATALYYSI

Tietoa

Fotokatalyysi on ilmiö, jossa fotokatalyyttinä tunnettu materiaali käyttää hyväkseen valon energiaa kiihdyttämään materiaalin pinnalla tapahtuvia reaktioita, joiden seurauksena syntyy hapettavia ioneja. Ilmiötä on tutkittu paljon ja sillä on laajalti sovelluskohteita mm. ilman ja veden puhdistuksessa.

Fotokatalyysi on perusteiltaan vihreiden lehtien pinnalla tapahtuvan fotosynteesin eli luonnon oman puhdistusprosessin kaltainen. Fotokatalyysiä on tutkittu ilmiön löytymisestä lähtien eli 1970-luvulta saakka. Tutkimusten lähtökohtana on alussa ollut aurinkoenergian muuttaminen käyttökelpoiseksi kemialliseksi energiaksi, mutta se on johtanut myös moniin käyttökelpoisiin sovelluksiin muilla tärkeillä toimialoilla, kuten ilman ja veden puhdistuksessa sekä erilaisissa itsepuhdistuvissa pinnoissa.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                            Kuva 1. Fotokatalyyttinen reaktio titaanioksidin pinnalla ja orgaanisten yhdisteiden hapetusreaktio.

 

Fotokatalyysi on spontaani kemiallinen reaktio, joka tapahtuu valon adsorboituessa fotokatalyyttiseen materiaaliin. Katalyytillä tarkoitetaan ainetta, joka nopeuttaa kemiallista reaktiota (Kuva 1.). Fotokatalyysireaktiossa käytettävän katalyytin tulee olla fotoaktiivinen, ja sillä tulee olla kyky hyödyntää näkyvää ja/tai UV-valoa, eikä se saa hajota valon vaikutuksesta. Fotokatalyyttinen reaktio voi tapahtua joko materiaalin pinnalla tai sen välittömässä läheisyydessä.

 

Titaanioksidi (TiO2) on tällä hetkellä käytetyin fotokatalyytti, koska se täyttää lähes kaikki vaatimukset ideaalisesta fotokatalyytistä. Titaanioksidi on myrkytön, hinnaltaan edullinen, kemiallisesti stabiili, helposti saatavilla ja uudelleen käytettävissä. Lisäksi titaanioksidi on elektronisesti ja optisesti erittäin soveltuvia fotokatalyyteiksi sen fotokatalyyttisen luonteen vuoksi, eli se voidaan aktivoida valolla käyttämällä pääasiassa valon UV-aallonpituuksia.

 

Titaanidioksidilla on kolme eri kiteistä muotoa: rutiili, anataasi ja brukiitti. Anataasi on fotokatalyyttisesti aktiivisempi kuin muut titaanidioksidin muodot, sillä sen band gap -energia on 3,2 eV, joka vastaa ultraviolettivalon aallonpituutta. Tällä energialla tarkoitetaan minimienergiaa, jolla puolijohtavasta materiaalista tulee sähköä johtava. UV-valon kohdistuessa anataasiin tulee titaanioksidin oksidista sähköä johtava, jolloin elektronit liikkuvat vapaasti jättäen jälkeensä energia-aukkoja. Energia-aukot reagoivat ilmassa olevien vesimolekyylien kanssa hapettaen ne aktiivisiksi hydroksyyli-ioneiksi. Vapaat elektronit puolestaan reagoivat ilman hapen kanssa pelkistäen sen aktiiviseksi happi-ioniksi. Näin muodostuneet aktiiviset ionit ovat vahvoja hapettajia, jotka voivat hapettaa useimpia orgaanisia materiaaleja. Fotokatalyyttinen ilmiö titaanidioksidipinnoitteen pinnalla on perusteiltaan samankaltainen kuin kasvien lehdissä tapahtuva yhteyttäminen eli fotosynteesi. Fotosynteesin lopputuotteena on happi ja sokeri, fotokatalyyttisten reaktioiden lopputuotteena saadaan hapettavia ioneja (O2·-, HO·).

 

Lähteet:

• Chun, H., Yuchao, T., Hongxiao, T., Characterization and photocatalytic activity of transition-metal-supported surface bond-conjugated TiO2/SiO2. Catalysis today 90 (2004) 325–330.

• Fujishima, A., Zhang, X., Tryk, D, A., TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surface Science Reports 63 (2008) 515–582.

• Anpo, M., Takeuchi, M. The design and development of highly reactive titanium oxide photocatalysts operating under visible light irradiation, Journal of Catalysis 216 (2003) 505-512.

• Mills, A., Le Hunte, S., An overview of semiconductor photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 108 (1997) 1-35.

• Teichner, S. J., The origins of photocatalysis. Journal of Porous Mater 15 (2008) 311–314.

• Parmon, V. N., Photocatalysis as a phenomenon: Aspects of terminology. Catalysis Today 39 (1997) 137–144.

• Ritschkoff, A-C., Mahlberg, R., Hakkarainen, T., Salparanta, L., Mannila, J., Posti, O., Kallio, M., Vesa, A., Löija, M., Iitti, H., Takala, S., Mäntylä, T., Levänen, E., Rakennustuotteiden funktionaaliset pinnat [Functionalization of building material surface properties]. Espoo 2005. VTT Tiedotteita – Research Notes 2294. 45 s.

gallery/fotokatalyysi
gallery/kukkia