Nano - TiO2 en la descontaminación de gases NOx

Introducción

Los nanomateriales son los materiales cuyas principales componentes tienen un tamaño entre 1nm y 100nm. El enfoque de los nanomateriales es una aproximación desde abajo hacia arriba de los efectos funcionales. Son importantes ya que muestran propiedades muy diferentes a las que expresan de forma macroscópica. Por ejemplo: El oro a escala macroscópica es químicamente inerte mientras que a nanoescala actúa como un buen catalizador. Estos materiales están cobrando importancia debido al carácter multisectorial que tienen. Se pueden usar en campos tan diferentes como en textil, electrónica y construcción. 

Fig 1. Aplicaciones TiO2

Uno de los mayores problemas que afecta al medioambiente es la generación de los gases NO_x debido a los automóviles. Por lo que  de sus mayores campos de aplicación es el uso de estos nanocompuestos en la descontaminación de estos gases. El uso de materiales fotocatalíticos es actualmente uno de los más métodos estudiados de la lucha contra la contaminación del aire. Una gran cantidad de tales materiales consiste en la mezcla de un semiconductor, tal como dióxido de titanio (TiO₂), En esta comunicación hablaremos de como el nano-TiO₂ puede aportar una solución a la eliminación de estos gases[i].

Fotocatálisis TiO₂

Dentro del nano TiO₂ existen varias estructuras (Rutilo, Anastasa, Brooquita), en la práctica se utiliza el TiO₂ de tipo Anastasa ya que tiene propiedades fotocatalíticas. La fotocatálisis es la herramienta que se utiliza para la descomposición de los gases contaminantes. Este proceso se basa en la absorción directa de energía radiante UV por un fotocatalizador, esta energía la capta el semiconductor que en este caso es el TiO₂ y permite el paso del electrón de la banda de valencia a la banda de conducción produciéndose el salto de energía prohibida. En la banda valencia deja un hueco que será muy oxidante y el electrón se deposita en la banda de conducción con carácter reductor. En resumen se aprovecha la radiación solar para poder desplazar los electrones de la banda de valencia (donde se dará la oxidación) a la banda de conducción (donde se dará la reducción).

Fig 2. Fotocatálisis TiO2

Degradación Gases NO_x

Se puede utilizar este proceso principalmente para oxidar los gases tóxicos como es el claro ejemplo del NO_x, el cual pasa a NO₃^-, eliminándose de la atmósfera. [ii]

Fig 3. Degradación de gases NOx

La eficiencia de esta fotocatálisis está determinada por la radiación ultravioleta ya que la radiación está entre 310-400 nm por tanto solo se aprovecha de la radiación solar el 10 %. Para solucionar este inconveniente , el TiO₂ se puede dopar con otros materiales como es la plata o incluso con dos elementos (Pt y N)[iii] Este nanomaterial está teniendo mucha importancia por aplicaciones ya que  se está utilizando como aditivo a los materiales de construcción[iv] para eliminar los efectos contaminantes de los gases NO_x en las ciudades. Por ultimo también se utiliza en materiales ya que hace que el material tengo efecto auto limpiante ya que degrada a la materia orgánica que se deposite sobre él, llamado “Efecto Loto”

Conclusión

El dióxido de Titanio (TiO₂) empleado como fotocatalizador, es un producto limpio, fotoestable y sin repercusión negativa sobre el Medio Ambiente. La fotocatálisis es una tecnología ampliamente estudiada a escala de laboratorio y piloto y que existen aplicaciones industriales el tratamiento de aire. Recientemente aparece un gran interés por combinar este catalizador con diferentes materiales y substratos empleados en la construcción y obra civil, para aprovechar sus propiedades oxidantes, desinfectantes y de auto-limpieza

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[i] Kubacka, A.; Fernández-García, M.; Colón, G., Advanced nanoarchitectures for solar photocatalytic applications. Chemical Reviews 2012, 112 (3), 1555-1614.

[ii] Devahasdin, S.; Fan, C.; Li, K.; Chen, D. H., TiO₂ photocatalytic oxidation of nitric oxide: transient behavior and reaction kinetics. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 2003, 156 (1), 161-170

[iii] Kim, W.; Tachikawa, T.; Kim, H.; Lakshminarasimhan, N.; Murugan, P.; Park, H.; Majima, T.; Choi, W., Visible light photocatalytic activities of nitrogen and platinum-doped TiO2: Synergistic effects of co-dopants. Applied Catalysis B: Environmental 2014, 147, 642-650.

[iv] Sugrañez, R.; Álvarez, J. I.; Cruz-Yusta, M.; Mármol, I.; Morales, J.; Vila, J.; Sánchez, L., Enhanced photocatalytic degradation of NOx gases by regulating the microstructure of mortar cement modified with titanium dioxide. Building and Environment 2013, 69, 55-63.