Fotocatálisis

En el experimento, los fotones de una fuente de luz (fuera del marco en el lado derecho) son absorbidos por la superficie del disco de dióxido de titanio, excitando los electrones dentro del material. Estos reaccionan con las moléculas de agua, dividiéndola en sus componentes de hidrógeno y oxígeno. En este experimento, los productos químicos disueltos en el agua impiden la formación de oxígeno, que de otra manera se recombinaría con el hidrógeno.

Cuando se habla de fotocatálisis se hace referencia a una reacción catalítica que involucra la absorción de luz por parte de un catalizador o sustrato.

En la química, la fotocatálisis es la aceleración de una fotorreacción en presencia de un catalizador. En la catálisis fotogenerada, la actividad fotocatalítica (PCA) depende de la capacidad del catalizador para crear pares electrón-hueco, que generan radicales libres (por ejemplo, radicales hidroxilo : • OH) capaces de sufrir reacciones secundarias. Se hizo posible su aplicación práctica por el descubrimiento de la electrólisis del agua por medio de dióxido de titanio . El proceso utilizado comercialmente se llama el proceso de oxidación avanzada (AOP). Hay varias formas de que la AOP se puede llevar a cabo, los cuales pueden (pero no necesariamente) implicar el TiO 2 o incluso el uso de la luz UV. En general, el factor de definición es la producción y el uso del radical hidroxilo.

Durante el proceso fotocatalítico, tal como se explica más adelante, ocurren tanto reacciones de oxidación como de reducción, por lo que no sólo se puede aplicar la fotocatálisis a la oxidación de compuestos orgánicos, sino también a la reducción de iones inorgánicos y a la reducción de otros compuestos orgánicos.

Proceso fotocatalítico

La fotocatálisis implica la combinación de la fotoquímica con la catálisis. Ambos, luz y catalizador, son necesarios para alcanzar o acelerar una reacción química. Así, la fotocatálisis puede ser definida como la aceleración de una fotorreacción mediante un catalizador.

La etapa inicial del proceso consiste en la generación de un par electrón-hueco en las partículas del semiconductor. Cuando un fotón con energía $E=h\nu$, que iguala o supera la energía del salto de banda del semiconductor, $E_{g}$, incide sobre éste, se promueve un electrón, e^-, de la banda de valencia hacia la banda de conducción, generándose un hueco, h+, en la banda de valencia. La energía de banda prohibida se define como la diferencia energética de la banda de valencia y la banda de conducción de un fotocatalizador.

Tipos de fotocatálisis

Fotocatálisis homogénea

En la fotocatálisis homogénea, los reactivos y los fotocatalizadores existen en la misma fase. Los fotocatalizadores homogéneos más comúnmente usados son el ozono y los sistemas de foto-Fenton (Fe⁺ y Fe⁺/H₂O₂). La especie reactiva es el •OH que se utiliza para diferentes propósitos. El mecanismo de producción de radicales hidroxilo por el ozono puede seguir dos caminos.

O₃ + hν → O₂ + O(1D)

O(1D) + H₂O → •OH + •OH

O(1D) + H₂O → H₂O₂

H₂O₂ + hν → •OH + •OH

Análogamente, el sistema Fenton produce radicales hidroxilo por el siguiente mecanismo.

Fe²⁺ + H₂O₂→ HO• + Fe³⁺ + OH⁻

Fe³⁺ + H₂O₂→ Fe²⁺ + HO•2 + H⁺

Fe²⁺ + HO• → Fe³⁺ + OH⁻

En los procesos de tipo foto-Fenton, se deben considerar fuentes adicionales de radicales OH: a través de la fotólisis de H₂O₂, y a través de la reducción de los iones Fe³⁺ bajo la luz UV:

H₂O₂ + hν → HO• + HO•

Fe³⁺ + H₂O + hν → Fe²⁺ + HO• + H⁺

La eficiencia de los procesos de tipo Fenton está influenciada por varios parámetros operativos como la concentración de peróxido de hidrógeno, el pH y la intensidad de los rayos ultravioleta. La principal ventaja de este proceso es la capacidad de utilizar la luz solar con una sensibilidad lumínica de hasta 450 nm, evitando así los altos costos de las lámparas UV y la energía eléctrica. Se ha demostrado que estas reacciones son más eficientes que las de otras fotocatálisis, pero las desventajas del proceso son los bajos valores de pH que se requieren, ya que el hierro precipita a valores de pH más altos y el hecho de que el hierro tiene que ser eliminado después del tratamiento.

Fotocatálisis heterogénea

La fotocatálisis heterogénea tiene el catalizador en una fase diferente de los reactivos. Este tipo de fotocatális es una disciplina que incluye una gran variedad de reacciones: oxidaciones leves o totales, deshidrogenación, transferencia de hidrógeno, intercambio isotópico de 18O2-16O2 y deuterio-alcano, la deposición de metales, la desintoxicación del agua, la eliminación de contaminantes gaseosos.

En un mecanismo de la reacción oxidativa, los agujeros positivos reaccionan con la humedad presente en la superficie y producen un radical hidroxilo. La reacción comienza con la generación de excitones fotoinducidos en la superficie del óxido metálico (MO significa óxido metálico):

MO + hν → MO (h⁺ + e⁻)

Reacciones oxidativas por efecto fotocatalítico:

h⁺ + H₂O → H⁺ + •OH

2 h⁺ + 2 H₂O → 2 H⁺ + H₂O₂

H₂O₂→ 2 •OH

Reacciones reductoras por efecto fotocatalítico:

e⁻ + O₂ → •O₂⁻

•O₂⁻ + H₂O + H⁺ → H₂O₂ + O₂

H₂O₂ → 2 •OH

En última instancia, los radicales de hidroxilo se generan en ambas reacciones. Estos radicales hidroxilo son de naturaleza muy oxidativa y no selectiva con un potencial redox de (E0 = +3,06 V)[22]

Aplicaciones

La fotocatálisis tiene aplicaciones en ámbitos ambientales, energéticos y sanitarios, especialmente en procesos de descontaminación, desinfección y transformación química impulsada por luz.

Tratamiento de aguas y desinfección

En el tratamiento de aguas, la fotocatálisis se emplea para la eliminación de contaminantes orgánicos y la desinfección microbiológica. Los sistemas basados en dióxido de titanio (TiO₂) son los más utilizados debido a su capacidad para generar especies reactivas capaces de oxidar compuestos orgánicos e inactivar microorganismos.

El desarrollo de fotocatalizadores activos bajo luz visible ha ampliado las posibilidades de aplicación al permitir un mayor aprovechamiento de la radiación solar. Entre estos materiales se encuentran los oxiyoduros de bismuto (Bi_xO_yI_z), semiconductores con banda prohibida estrecha capaces de inducir procesos fotocatalíticos sin necesidad de radiación ultravioleta. Se ha demostrado que determinadas formulaciones de estos compuestos pueden inactivar bacterias como Escherichia coli en pocos minutos bajo irradiación visible, mediante mecanismos asociados tanto a la generación de especies reactivas de oxígeno como a la interacción directa de cargas fotogeneradas con los microorganismos.

Materiales funcionales

La fotocatálisis también se aplica en materiales funcionales y superficies activas, como vidrios autolimpiantes y revestimientos con propiedades autoesterilizantes. En estos materiales, la radiación incidente favorece la degradación de materia orgánica y contribuye a reducir la carga microbiana sobre superficies expuestas.

Asimismo, se han desarrollado sistemas híbridos que combinan fotocatálisis y separación magnética, como partículas magnéticas recubiertas con nanopartículas de TiO₂, recuperables mediante campos magnéticos tras su utilización bajo radiación ultravioleta.

Energía y sostenibilidad

La fotocatálisis se investiga también como tecnología para la transición energética y la descarbonización. Entre las principales líneas de desarrollo se encuentran la producción de hidrógeno mediante fotólisis del agua, la reducción fotocatalítica de dióxido de carbono y la obtención de combustibles solares y compuestos químicos de interés a partir de energía solar.

Estas aplicaciones se consideran estratégicas para el desarrollo de procesos químicos más sostenibles y para la integración de modelos de economía circular basados en el aprovechamiento de la energía solar.

Véase también

• Fotólisis

• Datos: Q218831
• Multimedia: Photocatalysis / Q218831