Tinta indicadora de actividad fotocatalítica

La tinta indicadora de actividad fotocatalítica ( PAII ) es una sustancia que se utiliza para identificar la presencia de un fotocatalizador heterogéneo subyacente y medir su actividad. Estas tintas muestran visiblemente la actividad de los recubrimientos fotocatalíticos aplicados a diversos productos "autolimpiables". Contienen un colorante que reacciona a la radiación ultravioleta en presencia del agente fotocatalítico del recubrimiento. Se aplican al producto recubierto (generalmente con un bolígrafo, pincel o barra de aplicación) y muestran un cambio de color o su desaparición al exponerse a la radiación ultravioleta. El uso de una PAII basada en el colorante resazurina constituye la base de una prueba estándar ISO para la actividad fotocatalítica. ^{[ 1 ]}

Un indicador de actividad fotocatalítica, que utiliza tinta, permite identificar de forma rápida y sencilla la presencia de un fotocatalizador heterogéneo subyacente y proporciona una medida de su actividad. Un fotocatalizador heterogéneo es un material que utiliza la energía de la luz absorbida (generalmente UV ) para impulsar reacciones deseadas que de otro modo no se producirían en condiciones ambientales. Los productos fotocatalíticos comerciales, que incluyen: vidrio arquitectónico, ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} baldosas cerámicas, ^{[ 5 ] [ 6 ]} tejas, ^{[ 7 ]} cemento, ^{[ 8 ] [ 9 ]} pintura, ^{[ 10 ] [ 11 ]} y tejidos ^{, [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} se comercializan por su capacidad de limpiar sus propias superficies (es decir, son autolimpiables ) y el aire ambiente. Los indicadores fotocatalíticos satisfacen la necesidad de la industria de un método rápido, sencillo y económico para demostrar y evaluar las actividades de los recubrimientos fotocatalíticos, generalmente delgados e invisibles a simple vista, presentes en los productos autolimpiables. Un paii, recubierto sobre la superficie de un material fotocatalítico en prueba, funciona mediante un mecanismo fotorreductor, en el que la luz absorbida por el fotocatalizador impulsa la reducción del colorante en el paii, produciendo así un cambio de color llamativo, ^{[ 15 ] [ 16 ]} que puede medirse mediante el uso de una simple cámara de teléfono móvil y una aplicación, en lugar de cualquier equipo analítico sofisticado. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Los usos de los paii incluyen: (i) control de calidad de productos fotocatalíticos comerciales en laboratorio, fábrica y en el sitio; (ii) marketing, para la demostración rápida y llamativa de la eficacia del recubrimiento fotocatalítico generalmente invisible y de acción lenta; (iii) detección de falsificaciones; y (iv) evaluación de nuevos materiales fotocatalíticos. El desarrollo y las aplicaciones de dichos paii se han revisado en detalle. ^{[ 19 ]}

La fotocatálisis heterogénea es el proceso que sustenta la actividad de la mayoría de los materiales arquitectónicos, como el vidrio, ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} las baldosas cerámicas, ^{[ 5 ] [ 6 ]} las tejas, ^{[ 7 ]} el hormigón, ^{[ 8 ] [ 9 ]} la pintura, ^{[ 10 ] [ 11 ]} y los tejidos ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} que se promocionan como "autolimpiables" (o "purificadores de aire"). Estos materiales fotocatalíticos facilitan la mineralización oxidativa de especies orgánicas e inorgánicas por el oxígeno ambiental en sus superficies, lo que hace que las superficies sean limpias y, por lo general, hidrófilas . En la mayoría de los productos fotocatalíticos comerciales, la capa activa es un recubrimiento delgado, transparente e incoloro del semiconductor dióxido de titanio anatasa , que requiere luz UV para fotogenerar los electrones (e⁻) y huecos (h⁺) necesarios ^en sus ^bandas de conducción y valencia , respectivamente, para promover el proceso fotocatalítico. ^{[ 20 ]} En la figura 1 se ilustra un esquema de los procesos clave detrás de la mineralización fotocatalítica de un contaminante orgánico en la superficie de una película fotocatalítica de dióxido de titanio, y la reacción general se resume de la siguiente manera:

(1)

Las moléculas de agua —adsorbidas al fotocatalizador— también son necesarias para generar los grupos hidroxilo en la superficie. ^{[ 21 ]}

La comercialización de productos fotocatalíticos y la prevención de la falsificación se dificultan porque los recubrimientos fotocatalíticos suelen ser invisibles a simple vista. ^{[ 20 ]} Una forma de lograr una demostración visual de la fotocatálisis es usar un colorante, como el azul de metileno , disuelto en agua, como la especie orgánica que se mineraliza, ya que, a medida que avanza el proceso fotocatalítico, el color del colorante desaparece al oxidarse. ^{[ 22 ]} Este enfoque constituye la base de una prueba ISO bien establecida para la actividad fotocatalítica de películas ISO. ^{[ 23 ]} Sin embargo, la mayoría de los productos comerciales fotocatalíticos utilizan solo una capa delgada de dióxido de titanio (por ejemplo, de aproximadamente 15  nm de espesor en vidrio autolimpiable) ^{[ 24 ]} y los niveles de UV ambiental suelen ser bajos (por ejemplo, en un día soleado en el Reino Unido, la irradiancia UVA es de solo aproximadamente 4  mW/cm ² ). En consecuencia, el blanqueo oxidativo fotocatalítico del azul de metileno suele ser muy lento, tardando muchas horas, ^{[ 23 ]} y por lo tanto inapropiado para su comercialización, al menos.

Las tintas indicadoras de actividad fotocatalítica son un avance reciente en la demostración visual de la fotocatálisis y la evaluación de la actividad de los materiales fotocatalíticos. ^{[ 15 ] [ 25 ]} Son económicas, fáciles de usar y proporcionan una vía muy rápida para demostrar la presencia de una película fotocatalítica, incluso bajo bajos niveles de luz UV. A diferencia del blanqueo fotooxidativo del azul de metileno, ^{[ 22 ]} utilizan la película fotocatalítica semiconductora subyacente para fotorreducir el colorante (D _ox en la figura 2), en el recubrimiento de tinta, a otra forma (generalmente incolora), (D _red en la figura 2) mientras oxidan simultáneamente una especie orgánica fácilmente oxidable, un donador de electrones de sacrificio (SED), como el glicerol , que también está presente en la tinta. ^{[ 15 ] [ 25 ] [ 26 ]} La cinética de reducción del colorante en un paii se ha estudiado con gran detalle. ^{[ 27 ] [ 28 ]} La figura 2 ilustra los principios básicos de funcionamiento de un paii cuando se aplica a un producto que tiene un recubrimiento de película delgada de fotocatalizador.

La tinta se aplica al recubrimiento fotocatalítico, generalmente con un rotulador, aerógrafo, sello de goma, pincel o barra de dibujo, y luego se expone a la luz solar o a una fuente de luz alternativa adecuada. La tinta identifica la presencia del recubrimiento fotocatalítico cambiando de color al irradiarlo a una velocidad (generalmente < 10 min ^{[ 15 ]} ) que proporciona una medida de la actividad de la película.

Por ejemplo, se ha establecido que la velocidad de cambio de color de un paii en vidrio autolimpiable comercial está directamente relacionada con la velocidad a la que el vidrio también es capaz de mineralizar fotooxidativamente, a través de la reacción (1) el ácido graso natural ceroso , ácido esteárico , ^{[ 15 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} que se encuentra en las huellas dactilares. ^{[ 32 ]} La velocidad del cambio de color rápido asociado con tintas indicadoras de actividad fotocatalítica también se ha correlacionado directamente con la oxidación fotocatalítica del azul de metileno ^{[ 33 ] [ 34 ]} y NO _x . ^{[ 35 ] [ 36 ]} También se ha demostrado que el análisis digital del color de fotografías que monitorean el cambio de color de un paii puede usarse para extraer datos de absorbancia aparente que se correlacionan bien con los datos de absorción UV-vis para la misma muestra, sin necesidad de instrumentación espectrofotométrica costosa. ^{[ 18 ]}

Al hacer que los colorantes de la tinta sean cada vez más difíciles de reducir químicamente, por ejemplo, usando: azul básico 66, ^{[ 37 ]} resazurina, ^{[ 15 ]} y violeta ácido 7, ^{[ 35 ]} respectivamente, es posible hacer paiis que son efectivos en recubrimientos fotocatalíticos que exhiben, respectivamente: baja (la mayoría de las baldosas autolimpiables), moderada (vidrio autolimpiable) o alta (pinturas autolimpiables) actividades. También se han reportado paiis basados ​​en los colorantes 2,6-dicloroindofenol (DCIP) ^{[ 38 ]} y azul de metileno ^{[ 28 ]} .

Los Paiis pueden utilizarse como herramientas de control de calidad y marketing en el comercio y como una forma rápida y sencilla de evaluar y/o mapear las actividades de nuevos materiales fotocatalíticos en la investigación. ^{[ 15 ] [ 25 ] [ 39 ] [ 26 ] [ 16 ]} Además, también se ha demostrado que dichas tintas pueden utilizarse en superficies muy coloreadas y negras, siempre que la forma oxidada y/o reducida del colorante redox sea luminiscente, ^{[ 40 ]} y que pueden utilizarse eficazmente para demostrar la actividad de los fotocatalizadores de luz visible. ^{[ 41 ] [ 42 ]} En vista de la necesidad de realizar pruebas in situ de materiales fotocatalíticos comerciales, se han desarrollado etiquetas paii que pueden aplicarse fácilmente en el campo sobre cualquier superficie que se vaya a probar, tanto en una forma no reutilizable ^{[ 43 ]} como reutilizable ^{[ 44 ]} . Una aplicación destacada de PAII es cuando se ha aplicado una película uniforme a una superficie fotocatalítica y se ha monitoreado la variación en la tasa de cambio de color a lo largo de la superficie y se ha utilizado para generar un mapa de superficie de la fotoactividad. ^{[ 26 ] [ 45 ]} Mediante este método se puede investigar la uniformidad de la actividad superficial e identificar cualquier "punto caliente" de fotoactividad. ^{[ 45 ]} Al variar la composición de una superficie de fotocatalizador semiconductor a lo largo de la misma, se puede utilizar un mapa de superficie de fotoactividad PAII para determinar la composición óptima que produce la mayor respuesta fotocatalítica. ^{[ 26 ] [ 46 ]}

El rápido cambio de color de los paiis los hace adecuados para aplicaciones como:

• Control de calidad (en laboratorio, fábrica y en planta);
• Marketing;
• Documentos de identidad falsificados;
• Evaluación del material de investigación.

• Fotocatálisis
• Cristal autolimpiable