El dióxido de titanio disminuye la contaminación del aire

Dado que los óxidos de nitrógeno contribuyen de manera determinante a la formación de ozono en las capas inferiores de la atmósfera (troposfera), la reducción de la concentración de óxidos de nitrógeno en el aire permite esperar una disminución de los problemas causados por el ‘smog’ en verano. A pesar de que ya en diferentes niveles han sido adoptadas medidas concretas para reducir las emisiones de sustancias nocivas, no obstante, los efectos positivos de los avances tecnológicos no son suficientes para contrarrestar el enorme aumento en el uso del automóvil y el creciente número de automóviles en circulación.

En el contexto de la necesidad de reducir las emisiones nocivas, la utilización a gran escala de recubrimientos de dióxido de titanio resulta de especial interés, debido a que su efecto fotocatalítico provoca la desintegración de las sustancias nocivas en el aire.

Las diversas aplicaciones prácticas, tales como el recubrimiento de fachadas y calles, así como la pintura de espacios interiores, no han logrado hasta ahora llenar totalmente las expectativas en cuanto a la mejora de la calidad del aire. Con la modificación selectiva del dióxido de titanio, lograda mediante dopaje, su efectividad se amplía significativamente, con lo cual se mejora considerablemente la intensidad de la desintegración de las sustancias nocivas.

La fotocatálisis semiconductora es conocida desde hace mucho tiempo como un método eficiente para la transmutación de sustancias nocivas en productos inocuos, mediante la energía solar. Ésta se basa en la capacidad de capturar los radicales libres generados por la absorción de la luz en la superficie semiconductora y usarlos para las reacciones de transferencia de electrones.

Para la descripción detallada del curso básico de las reacciones desencadenadas por la acción de la luz se recurre al modelo de bandas de energía. Este modelo describe el estado energético de los electrones de los átomos de un sólido cristalino. Las interacciones entre los átomos conducen aquí a una ampliación de los estados de energía, es decir, los electrones se unen entre si de forma densa, formando bandas de energía: la banda de valencia (VB) y la banda de conducción (CB). Estas bandas de energía están separadas entre si por campos energéticos, en los cuales no se encuentran electrones (banda prohibida). El tamaño de la banda prohibida determina si, mediante estimulación térmica o de otro tipo, los electrones pueden ser transferidos de la banda de valencia a la banda de conducción.

Semiconductores como el dióxido de titanio poseen una banda prohibida tan pequeña que los electrones pueden ser transferidos por medio de una reducida absorción de energía. Los electrones transferidos de la banda de valencia a la banda de conducción forman los llamados “pares electrón – hueco”. Estos son el fundamento para las reacciones de desintegración de sustancias nocivas, representadas más abajo. Con la incorporación de un átomo externo (dopaje), el número de pares electrón-hueco puede aumentar significativamente con lo cual el efecto catalítico puede ser aprovechado sobre un espectro de ondas considerablemente mayor.

Para el dióxido de titanio no dopado, la longitud de onda necesaria para la excitación de los electrones se encuentra en el campo UV. Esta es de 390 nanómetros para la anatasa y 415 para el rutilo. Por lo tanto, la fotocatálisis mediante dióxido de titanio se desarrolla de manera especialmente efectiva, cuando la radiación se encuentra disponible exactamente en esa longitud de onda. Dado que el campo UV constituye sólo una mínima parte de la luz solar y, en la luz artificial no está disponible, la utilización del dióxido de titanio como fotocatalizador estuvo limitada hasta ahora.

Recientes investigaciones se centran en la posibilidad de reducir el tamaño de la banda prohibida de la anatasa mediante la instalación de átomos externos en la red cristalina y, por esta vía, poder aprovechar el efecto catalítico sobre un espectro de onda significativamente más grande. Para el dopaje del dióxido de titanio, el carbono se mostró adecuado como átomo externo. Su incorporación redujo la banda prohibida, de 3,2 eV (anatasa pura) a 2,32 (fase dopada con carbono), con lo cual, la longitud de onda necesaria para la excitación fue aumentada hasta 535 nanómetros. De este modo, el dióxido de titanio dopado con carbono dispone de una efectividad significativamente mayor (luz ultra violeta y luz visible > 400 nanómetros) que los fotocatalizadores convencionales.

Esta afirmación se confirma mediante la comparación de la desintegración de los óxidos de nitrógeno, con dióxido de titanio dopado y no dopado. A través del estudio conducido a tal efecto, se investigó cómo un fotocatalizador irradiado con UV (A) o con luz visible (Vis) desintegra 1 ppm de monóxido de nitrógeno en una corriente de gas de tres litros por minuto. La medición de la concentración de monóxido de nitrógeno, después de la reacción fotocatalítica, se logró con la ayuda de un sistema de detector de fluorescencia (disolución 1 ppb). Luego, fueron determinados los siguientes resultados para la desintegración del monóxido de nitrógeno (NO). Los resultados de la medición representados más abajo muestran que la efectividad de la desintegración del monóxido de nitrógeno con ayuda de dióxido de titanio dopado con carbono puede ser aumentada considerablemente, especialmente mediante el efecto reforzado de la parte visible del espectro de la luz. Basados en estos resultados de laboratorio y considerando las condiciones libres, fue determinada la desintegración potencial del NO y mostrada en la parte derecha de la figura.

Ya que la utilización del dióxido de titanio como fotocatalizador ya no está ligada a la existencia de condiciones de luz ideales, se pueden desintegrar numerosas sustancias nocivas para el aire. Los materiales con recubrimientos foto catalíticos activos, tales como elementos de fachadas, tejas o placas de piso conducen a las reacciones de desintegración deseadas, inclusive en áreas a la sombra como el lado norte de las construcciones o túneles y subterráneos, así como bajo los árboles, pero también baldosas, tapices o acabados interiores con luz difusa.

La aplicación del dióxido de titanio dopado representa una importante piedra angular para el cumplimiento del compromiso de las naciones industrializadas de reducir en un 5 por ciento las emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2012, conforme al Protocolo de Kyoto.