Titanium Dioxide Based Hybrid Materials for Advanced Oxidation Processes

La crescente preoccupazione per le questioni ambientali ed energetiche spinge la ricerca verso lo sviluppo di processi e materiali innovativi per il controllo dell'inquinamento e la generazione di energia da fonti rinnovabili. La dispersione di sostanze chimiche tossiche nell'acqua, nel suolo e nell'atmosfera rappresenta un serio rischio per la salute umana e per l'ecosistema. In questo contesto, i processi di ossidazione avanzata (AOP) offrono una varietà di trattamenti chimici per rimuovere contaminanti, in particolare dall'acqua, attraverso specie reattive di ossigeno (ROS) generate in situ. Questi processi includono la fotocatalisi eterogenea, che sfrutta l'energia della radiazione solare per la purificazione e disinfezione di acqua e aria. Nonostante l'interesse, pochi AOP sono tecnologie consolidate; metodi efficienti e scalabili per il trattamento dell'acqua devono ancora essere sviluppati. La generazione di idrogeno tramite scissione dell'acqua o combustibili a base di carbonio tramite riduzione del CO2 rappresenterebbe metodi sostenibili per affrontare la questione dello stoccaggio di energia rinnovabile.

I materiali semiconduttori a base di ossidi metallici di transizione sono centrali nella catalisi e nella fotocatalisi. Tra questi, il diossido di titanio (TiO2) è ampiamente studiato per la sua stabilità chimica e fotocatalitica, biocompatibilità e disponibilità a basso costo. Presenta interessanti proprietà acide e redox, ma la sua reattività superficiale limitata richiede il suo accoppiamento con metalli o altri ossidi per realizzare catalizzatori efficienti. Il TiO2 è il materiale di riferimento nella ricerca sulla fotocatalisi, ma alcuni svantaggi, come il grande gap di banda e l'alta ricombinazione dei portatori di carica, ne limitano l'efficienza. Inoltre, il TiO2 è utilizzato nelle celle solari di seconda generazione, dove i film sottili di ossido metallico fungono da strato di trasporto di elettroni. L'ottimizzazione di questo strato è cruciale per lo sviluppo di celle solari più efficienti e stabili.

La modifica della struttura chimica ed elettronica è il modo più efficace per affrontare le limitazioni e migliorare le proprietà funzionali specifiche di un semiconduttore. La ricerca si concentra sulla progettazione, sintesi e caratterizzazione di materiali basati su TiO2 con proprietà adatte per prestazioni migliorate nella catalisi. La sintesi di materiali ibridi inorganico-organici, in cui le molecole organiche complessano gli atomi di titanio nella struttura dell'ossido, è un approccio innovativo. L'interazione tra il componente inorganico e quello organico porta a caratteristiche emergenti che possono migliorare l'efficienza dei processi di fotocatalisi e di degradazione dei contaminanti organici. La caratterizzazione di questi materiali è fondamentale per comprendere le loro proprietà e potenziali applicazioni.

Le applicazioni pratiche dei materiali ibridi a base di TiO2 sono molteplici. Questi materiali possono essere utilizzati per la degradazione di inquinanti organici, la purificazione dell'acqua e la produzione di energia. La fotocatalisi eterogenea, in particolare, offre opportunità significative per il trattamento delle acque reflue e la produzione di idrogeno attraverso la fotoreforming. L'uso di TiO2 in celle solari e come catalizzatore per reazioni chimiche rappresenta un passo avanti verso soluzioni sostenibili per le sfide energetiche e ambientali. La ricerca continua a esplorare nuove combinazioni di materiali e metodi di sintesi per ottimizzare le prestazioni e l'efficacia di questi sistemi, contribuendo così a un futuro più sostenibile.