Proprietà ottiche e attività fotocatalitica del biossido di titanio: dipendenza dalle dimensioni delle nanoparticelle.

I fotoeffetti che avvengono negli ossidi semiconduttori in seguito ad assorbimento di radiazione elettromagnetica hanno una serie di potenziali applicazioni multisettoriali. I principali ostacoli allo sfruttamento di questa tecnologia sono la bassa resa fotonica dovuta a processi di ricombinazione, cinetiche di trasferimento di carica interfacciale lente, assorbimento di luce limitato all'UV e bassa selettività delle specie redox-attive fotoprodotte rispetto a diversi substrati. Le proprietà di aggregazione dei materiali influenzano le proprietà ottiche e quindi l'assorbimento di radiazione. La formazione di agglomerati di nanoparticelle provoca una diminuzione della frazione di luce assorbita, diminuendo le rese fotoniche apparenti. L'aggregazione può provocare la formazione di nuovi stati superficiali a livello dei contatti fra particelle che possono agire da centri di ricombinazione. Questi effetti sulle proprietà ottiche dei fotocatalizzatori ossidici possono portare ad un'errata valutazione della fotoattività. Nel presente lavoro, mediante misure sperimentali di estinzione e di attività fotocatalitica di sospensioni acquose di aggregati di nanoparticelle di TiO2 in funzione della loro dimensione e calcoli delle loro proprietà ottiche (coefficienti di estinzione, di assorbimento e di diffusione) sempre in funzione della dimensione, sono state studiate le correlazioni esistenti fra stato di aggregazione ed attività fotocatalitica. Il risultato è stata la formulazione di un approccio che può essere reso quantitativo per la determinazione delle rese quantiche in sistemi fotocatalitici eterogenei. Lo studio è stato eseguito su nanoparticelle di anatasio commerciali (PC105 Cristal), costituite da particelle primarie di circa 12 nm di raggio unite in agglomerati di circa 280 nm di raggio. La dimensione degli aggregati è stata ridotta tramite sonicazione. Le sospensioni acquose dei materiali ottenuti sono state caratterizzate misurandone le proprietà ottiche (estinzione UV-Vis), dimensionali (DLS) e fotocatalitiche (cinetiche di degradazione di substrati modello in condizioni standard). I coefficienti di estinzione e assorbimento delle nanoparticelle e degli aggregati sono stati calcolati tramite un codice basato sul metodo della ¿T-matrix¿, che permette la previsione delle proprietà ottiche di aggregati di sfere di dimensione arbitraria facendo uso della teoria di Mie (codice MSTM di Mackowski. Gli spettri di estinzione e di assorbimento delle sospensioni sono stati calcolati sulla base delle distribuzioni dimensionali misurate tramite DLS. L'attività fotocatalitica delle sospensioni ha una forte correlazione con la frazione di radiazione assorbita calcolata, dimostrando come l'aggregazione abbia un ruolo primario nel determinarne l'attività. Nel caso della trasformazione fotocatalitica dell'acido formico la correlazione è meno marcata, probabilmente a causa della presenza di fenomeni di adsorbimento specifico del substrato. Il presente lavoro costituisce pertanto un possibile approccio per la corretta e riproducibile misura della attività fotocatalitica di nanoparticelle ossidriche, permettendo quindi un corretto confronto delle proprietà di nuovi materiali.