PLS Scienza dei Materiali Anno 2011 3- Effetto fotocatalitico del biossido di titanio Questa esperienza riguarda le proprieta’ fotocatalitiche del biossido di titanio nanostrutturato. Il biossido di titanio (o titania) e’ un materiale molto diffuso, ad esempio e’ utilizzato per conferire il colore bianco alle vernici con cui si dipingono le pareti di casa. Quando i cristalli che compongono questo materiale vengono rimpiccioliti sino a formare particelle con dimensioni di miliardesimi di metro (nanometro), allora diventano evidenti alcune sue proprieta’ molto interessanti. Ad esempio la titania nanostrutturata puo’ assorbire la radiazione luminosa generando effetti foto-catalitici, ovvero puo’ sfruttare l’energia della radiazione elettromagnetica che ha assorbito per far avvenire delle reazioni chimiche in altre molecole che si trovano molto vicine alla superficie delle particelle. Questo processo e’ efficace soltanto utilizzando radiazione luminosa della giusta lunghezza d’onda, che nel caso della titania nanostrututrata corrisponde con l’ultravioletto (UV). Piu’ in dettaglio, il meccanismo con cui i materiali come il biossido di titanio possono trasferire l’energia assorbita dalla luce ad altre sostanze poste nelle loro immediate vicinanze e’ la donazione di elettroni. Il processo di mineralizzazione ossidativa di inquinanti a base organica tramite fotocatalisi ad opera di semiconduttori può essere schematizzato nella seguente reazione: Inquinante organico + O2 -> CO2 + H2O + minerali L’energia per l’ossidazione viene fornita dai fotoni assorbiti dal semiconduttore. Nel caso della titania, l’assorbimento di un fotone nel vicino ultravioletto provoca la formazione di radicali ossidrilici OH. sulla superficie delle nanoparticelle, che hanno un fortissimo potere ossidante. Nel caso della titania, e’ necessario usare lunghezze d’onda inferiori a λ = 388 nm (3.2 eV), perche’ si tratta di un semiconduttore a largo band gap. Le proprieta’ fotocatalitiche della titania nanostrutturata trovano applicazione anche in materiali in grado di rimuovere autonomamente lo sporco dalla loro superficie o di degradare le sostanze inquinanti. Inoltre la titania puo’ essere utilizzata per creare superfici in grado di sterilizzarsi semplicemente esponendole per breve tempo alla radiazione ultravioletta. PLS Scienza dei Materiali Anno 2011 In altre condizioni, il biossido di titanio puo’ comportarsi anche come accettore di elettroni. Per questa sua proprieta’ esso ha attratto grande interesse per la creazione di sistemi fotovoltaici a basso costo, alcuni dei quali sono in commercio da pochi anni. Nel corso dell’esperienza, si avra’ modo di verificare le proprieta’ fotocatalitiche della titania. Si preparera’ una miscela di polvere di titania nanostrutturata ed un inchiostro particolare. L’esposizione della miscela per tempi crescenti alla luce ultravioletta provochera’ il progressivo cambio di colore dell’inchiostro. Cio’ avverra’ per effetto del trasferimento di elettroni dalla titania al colorante. Sara’ possibile misurare il progressivo cambiamento di colore dell’inchiostro nella miscela in funzione del tempo di esposizione alla radiazione ultravioletta mediante uno scanner ed un computer. Preparazione di un substrato di titania con proprieta’ fotocatalitiche La procedura e’ stata tratta da “Simple method for the rapid simultaneous screening of photocatalytic activity over multiple positions of self-cleaning films”, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 8367–8375 e da “Method of Rapid Assessment of Photocatalytic Activities of SelfCleaning Films”, J. Phys. Chem. B 2006, 110 (37), 18324. Un inchiostro particolare puo’ essere utilizzato per valutare rapidamente l'attività fotocatalitica di un film di titania nanostrutturata. L'inchiostro e’ composto dal colorante redox resazzurrina e da un donatore di elettroni sacrificale (il glicerolo) in una soluzione acquosa di idrossietilcellulosa (HEC). La fase iniziale dell’esperimento di fotodegradazione consiste nella conversione foto-riduttiva della resazurrina a resorufina esponendo il film ad una lampada UV, il che comporta un cambiamento di colore dal blu al rosa. La fase successiva consiste nella fotoriduzione della resorufina, con un cambiamento lento da rosa a incolore. Il meccanismo di reazione può essere descritto nel seguente ciclo: PLS Scienza dei Materiali Anno 2011 dove SC sta per semiconduttore (le nanoparticelle di titania), Rz e’ la resazurrina, Rf e’ la resorufina, SED e’ il donatore di elettroni sacrificale (glicerolo). L’assorbimento di un fotone provoca la formazione di una coppia elettrone/lacuna (hole: h+) nella nanoparticella di titania. La lacuna, migrando sulla superficie della nanoparticella, origina un radicale idrossilico che reagisce con una molecola di glicerolo formando un radicale α-idrossialchilico. Il radicale cosi’ formato reagisce con la resazurina (blu) riducendola a resofurina (rosa) e dando CO2 ed H2O. Pertanto, la nanoparticella di titania esposta alla radiazione ultravioletta catalizza la reazione di ossidazione del glicerolo a CO2 ed H2O e quella di riduzione della resazurina a resofurina. Con uno scanner digitale e’ possibile raccogliere delle immagini del film fotocatalitico rivestito di resazzurrina a intervalli regolari per monitorare le reazione di fotocatalisi. Le componenti rossa e verde dei colori rosso-verde-blu (RGB – red green blue) estratti da tali immagini sono inversamente proporzionali alla quantita’ di resazurina o resofurina e forniscono informazioni sulla cinetica di reazione. Un programma dal titolo RGB Extractor consente di estrarre facilmente le componenti RGB delle immagini. Procedura Preparare l’inchiostro fotoindicatore aggiungendo 0.75g di HEC a 50 ml di acqua deionizzata in una beuta da 100 ml. Utilizzare un’ancoretta magnetica per mescolare la soluzione e riscaldarla a 70°C. Quando la cellulosa e’ completamente sciolta (dai 4 ai 25 minuti), spegnere il riscaldamento ed introdurre 5g di glicerolo e 0.065g di resazurina. Ricoprire un vetrino da microscopio con biadesivo. Depositare 5 cucchiaini di polvere di titania Degussa in un cristallizzatore, con molta cautela per evitare che la polvere si disperda in aria. Inserire il vetrino nel cristallizzatore in modo che la titania ricopra per intero la superficie del vetrino ricoperta di biadesivo e vi rimanga ben incollata. Quando tutto il vetrino e’ coperto di titania, rimuoverlo dal cristallizzatore e pulire con un foglio di carta imbevuto di acqua il lato inferiore del vetrino. Con una pipetta cospargere il vetrino della soluzione di Rz e glicerolo in HEC. Bastano poche gocce di inchiostro, quelle strettamente necessarie a colorare di blu la polvere di titania. Far asciugare in stufa a 70°C per 10 min o all’aria (e’ indifferente). Esporre il vetrino ad una lampada UV per 40 minuti, raccogliendo l’immagine del vetrino con uno scanner o con una fotocamera digitale ad intervalli di tempo regolari. Ricordarsi di acquisire l’immagine iniziale prima del trattamento. L’inchiostro dovrebbe passare da un colorito bluastro a uno rosastro. Per evitare di sporcare lo scanner, coprire la sua superficie con un foglio da lucidi trasparente. Utilizzare il programma RGB extractor per monitorare la variazione delle componenti red e green nel tempo, ottenendo cosi’ indicazioni sulla cinetica di fotoossidazione del Rz. Materiali: 50 mL di acqua deionizzata 0.75g di idrossietil-cellulosa (HEC), PLS Scienza dei Materiali 5 g di glicerolo (attenzione e’ un liquido molto viscoso) 0.065g di resazurina TiO2 P25 Degussa (che e’ composta da 75% anatasio e 25% rutilo) Vetrini da microscopio (25 x 25 x 75 mm) Biadesivo Piastra riscaldante Becker da 100mL Cilindro graduato Ancoretta magnetica Pipetta Cucchiaino da laboratorio Spatolina Strumenti: Bilancia da laboratorio Scanner o fotocamera digitale Lampada UV Anno 2011
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