À propos du CCO : oxydation photocatalytique

À propos du CCO : oxydation photocatalyste

Par Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.

Catalyseur commun à base d’oxyde de titane : TiO2

En chimie, le CCO est l’accélération d’une photoréaction en présence d’un catalyseur. Dans la photolyse catalysée, la lumière est absorbée par un substrat adsorbé. L’activité photocatalytique dépend de la capacité du catalyseur à créer des paires électrons-trous générant des radicaux libres (radicaux hydroxyles : OH) capables de subir des réactions d’oxydation. Sa compréhension est rendue possible depuis la découverte de l’électrolyse de l’eau au moyen de dioxyde de titane. L’application commerciale du procédé s’appelle Procédé d’Oxydation Avancé et est utilisé pour le traitement de l’eau.

Le dioxyde de titane, en particulier sous forme anatase, est un photocatalyseur sous lumière ultraviolette. Il a été récemment découvert que le dioxyde de titane, lorsqu’il est enrichi d’ions d’azote ou dopé avec un oxyde métallique tel que le trioxyde de tungstène, est également un photocatalyseur sous lumière visible et ultraviolette. Le fort potentiel oxydant des trous positifs oxyde l’eau pour créer des radicaux hydroxyles. Il peut également oxyder directement l’oxygène ou les matières organiques. Le dioxyde de titane est donc ajouté aux peintures, ciments, fenêtres, carreaux ou autres produits pour la stérilisation, la désodorisation et les propriétés antisalissures. Il est également utilisé comme catalyseur d’hydrolyse.

Bien que cette technologie semble parfaitement transposable dans l’air, une mise en garde importante a récemment été mise en évidence : l’oxyde de titane est «empoisonné» par la silice et sa durée de vie utile est gravement compromise. Après une expérience de longue durée de cette technologie dans l’air, il a été observé que le CCO se décomposerait progressivement et perdrait la plus grande partie de son potentiel oxydant en moins d’un an.

L’effet de la silice en tant que neutralisant d’oxyde de titane est bien connu dans le domaine des crèmes solaires. Chaque crème solaire avec bloqueur physique contient du dioxyde de titane en raison de ses fortes capacités d’absorption de la lumière UV, empêchant ainsi les rayons UV d’atteindre la peau. Les crèmes solaires conçues pour les nourrissons ou les personnes ayant la peau sensible sont souvent à base de dioxyde de titane et / ou d’oxyde de zinc, car ces bloqueurs d’UV minéraux sont moins susceptibles de causer une irritation de la peau que les ingrédients absorbant les UV, tels que l’avobenzone.

Toutefois, pour éviter la création de radicaux cancérigènes sur la peau en raison de l’activité de la réaction photocatalytique, les particules de dioxyde de titane utilisées dans les crèmes solaires sont intentionnellement revêtues de silice. L’ajout de silice neutralise efficacement les propriétés photocatalytiques de l’oxyde de titane, rendant ainsi la crème solaire inoffensive.

Comme la silice est couramment utilisée dans les applications domestiques telles que le calfeutrage et de nombreux autres matériaux, l’oxyde de titane CCO est contaminé par la silice et perdra la moitié de son activité dans les trois mois. Cela signifie qu’après 6 mois, l’efficacité sera réduite à 50%, après 9 mois jusqu’à 25%, et après un an à 12,5% seulement. Le CCO cessera alors de fournir des performances adéquates en tant que dispositif de purification de l’air. C’est la raison principale pour laquelle les entreprises sérieuses prennent maintenant du recul et remettent en cause les merveilleuses promesses du CCO à base d’oxyde de titane comme solution pour éliminer les odeurs.

Nouvelle oxydation photocatalytique au cobalt (Co-CCO)

Depuis vingt ans, l’utilisation des rayons ultraviolets pour obtenir des ressources en air et en eau propres grâce à l’oxydation photocatalytique est un objectif recherché par les scientifiques du monde entier (1,2,3). La photocatalyse est un terme largement générique qui s’applique à la réaction d’oxydation chimique permise par un catalyseur activé aux photons, communément appelé CCO dans l’industrie de la purification de l’air.

Le catalyseur CCO consiste en un semi-conducteur en oxyde métallique, généralement en oxyde de titane (TiO2), doté d’une énergie de rupture permettant à l’absorption de photons ultraviolets de générer des paires de trous d’électrons appelés «sites actifs» qui peuvent initier la réaction chimique. Pour le CCO en oxyde de titane, l’énergie de rupture est centrée sur les photons à 360 nm, ce qui se situe au milieu de la plage UV-A (315 à 400 nm). Ceci est assez éloigné des émissions UV-C des lampes germicides ordinaires émettant la majeure partie de leur énergie photonique à une longueur d’onde de 254 nm. Ceci explique en partie l’efficacité plutôt décevante des purificateurs actuels d’air CCO à base d’oxyde de titane utilisant des lampes au mercure à basse pression. Cette faible efficacité est principalement responsable de la formation de sous-produits dangereux, tels que le formaldéhyde. Un autre obstacle important à la mise en œuvre du CCO est sa courte durée de vie due à l’empoisonnement du catalyseur par la silice. La silice, constituant principal du sable, est omniprésente dans notre environnement quotidien. Les siloxanes ont été identifiés comme la cause fondamentale de la désactivation actuelle de la CCO (4). Comme la désactivation réduit le nombre de sites actifs disponibles, une oxydation incomplète devient prédominante, ce qui favorise la production de sous-produits.

L’effet fondamental de l’ajout d’oxyde de cobalt est de décaler l’énergie de rupture du catalyseur vers les photons de haute énergie au plus près des photons à 254 nm émis par les lampes à mercure à basse pression. Avec une capacité d’absorption d’énergie supérieure, le catalyseur renforcé au cobalt fournit une activité photocatalytique suffisante pour oxyder complètement les COV domestiques (5,6) et éviter la formation transitoire de formaldéhyde, d’acétaldéhyde et d’autres sous-produits incomplètement oxydés. Il convient de noter que la haute énergie de rupture active du catalyseur au cobalt est beaucoup plus large que l’oxyde de titane lui-même et s’est révélée presque insensible à l’intoxication par la silice. Les essais réels n’ont montré aucune baisse significative de l’activité des catalyseurs au cobalt après une année complète d’utilisation.

Références

  1. Peral,J.; Ollis, D.F. Heterogeneous photocatalytic oxidation of gas-phase organics for air purification: acetone,1-butanol, butyraldehyde,formaldehyde,and m-xylene oxidation. J.Catal. 1992, 136, 554-565.
  2. Dibble, L.; Raupp, G. Kinteics of the gas-solid heterogeneous photocatalytic oxidation of trichloroethylene by near UV illuminated titanium oxide. Catal. Lett., 1990,4, 345-354.
  3. Pichat,P.; Disdier, J.; Hoang-Van, C.; Mas, D.;Goutallier, G.; Gaysee, C. Purification/deodorization of indoor air and gaseous effluents by TiO2 photocatalysis. Catal today 2000, 63, 363-369.
  4. Warner, N.A.; Evenset, A.; Christensen, G., Gabrielsen, G.W.; Borga, K.; Leknes, H. Volatile siloxanes in the European arctic: Assessment of sources and spatial distribution. Env iron. Sci. Technol., 2010,4,7705-7710.
  5. Building Assessment Survey and Evaluation (BASE) study. Available online: http://www.epa.gov/iaq/base/index.html
  6. Hay, S.; Obee, T.; Luo, Z.; Jiang, T.;Meng, Y.; He, J.;Murphy, S.; Suib,S. The viability of photocatalysis for air purification. Molecules, 2015, 20, 1319-1356.