Studio di sistemi di fotocatalisi eterogenea in presenza di TiO2 nanostrutturato

Titanium dioxide is extensively employed as photocatalytic substrate in heterogeneous catalysis for the development of Advanced Oxidation Processes (AOP) which exploit the use of UV irradiation to induce complete degradation and mineralization of hazardous organic pollutants to H2O, CO2 and inorganic anions. Aim of this research is to study the photoefficiency of nanotubular TiO2 films, investigating the chemical mechanism of catalyst activation and of reactant degradation and the operating conditions that optimize the global efficiency of the process. The photocatalytic substrate was obtained through anodic oxidation of titanium in an aqueous solution of Na2SO4/NaF and subsequent annealing treatment at 400°C in controlled atmosphere, which induces the crystallization of the amorphous anodic oxide to the anatase crystal structure. The oxide structure and morphology were investigated by means of X-ray diffraction an Scanning Electron Microscopy. A rhodamine B solution, concentration 10^(-5) M, was chosen as model reactant to test the oxides photoactivity: its photocatalytic degradation under UV/Vis and visible light was controlled by spectrophotometric measurements. The degradation of the organic compound was proved to follow a first order kinetics, and a 90% mineralization of the rhodamine B solution was achieved after 23 hour irradiation of a 6 cm^2 nominal area sample with UV-Vis light. By increasing the initial concentration of the rhodamine B solution, the final mineralization extent increased with nanotubes length, due to the effects of active sites saturation which are amplified as the specific area available for reactant adsorption decreases. Doping effects due to the presence of nitrogen in interstitial or substitutional position inside the TiO2 lattice were investigated, but only negligible effects were noticed under UV/Vis radiation; on the contrary, a detrimental effect was observed in specimens subjected to visible light irradiation.

Il biossido di titanio è ampiamente utilizzato come substrato fotocatalitico nel campo della fotocatalisi eterogenea per lo sviluppo di processi di ossidazione avanzata che, mediante irraggiamento di luce UV, promuovono completa decomposizione e mineralizzazione di numerosi inquinanti di natura organica a H2O, CO2 e ioni inorganici. Scopo della presente ricerca è lo studio dell’efficienza fotocatalitica di film di TiO2 con morfologia nanotubolare, investigando il meccanismo di attivazione del catalizzatore e di degrado del reagente e individuando le condizioni operative tali da ottimizzare l’efficienza globale del processo. Il substrato fotocatalitico è stato ottenuto mediante anodizzazione del titanio in una soluzione acquosa di Na2SO4/NaF e successivo trattamento termico a 400°C in atmosfera controllata, che induce la cristallizzazione dell’ossido anodico amorfo ad anatasio. La struttura e la morfologia dell’ossido sono state investigate mediante diffrazione di raggi X e microscopia elettronica a scansione. Il reagente di riferimento utilizzato per valutare l’attività del fotocatalizzatore è una soluzione acquosa di rodamina B 10^(-5) M, il cui degrado fotoindotto da luce UV/Vis e visibile è stato monitorato mediante misure spettrofotometriche. Le prove sperimentali hanno evidenziato che il degrado del reagente segue una cinetica del primo ordine e dopo 23 ore di trattamento in presenza di campioni aventi area nominale di 6 cm^2, irradiati da luce UV/Vis, è stato raggiunto il 90% di mineralizzazione del composto organico. Aumentando la concentrazione iniziale di rodamina B, il degrado finale aumenta al crescere della lunghezza dei nanotubi a causa degli effetti di saturazione dei siti attivi, che risultano amplificati al diminuire dell’area specifica disponibile per l’adsorbimento del reagente. Sono stati infine valutati eventuali effetti di drogaggio dell’ossido, indotti dalla presenza di azoto in posizione interstiziale o sostituzionale all’interno del reticolo cristallino; sotto irraggiamento UV/Vis non sono stati evidenziati effetti significativi, mentre in presenza di sola luce visibile è stata osservata una inibizione dell’attività catalitica.