Světlem proti špíně
23. 5. 2009
Oxid titaničitý – TiO2. Zdánlivě obyčejný bílý prášek. Má výrazný jas, je barevně stálý a má schopnost rozptylovat světlo. Běžně se používá jako titanová běloba do nátěrových hmot, jako barvivo v potravinářství, nebo jako účinné složka některých opalovacích krémů, kosmetiky a zubních past. Tento prášek však má neobyčejné vlastnosti, tak zvláštní, že tomu původně chemici nechtěli ani uvěřit – má fotokatalytické schopnosti, dokáže tedy pomocí světla rozkládat nejrůznější chemické látky. Pokud se přidá do stavebních nebo nátěrových hmot, vytvoří základ jejich samočisticích vlastností. Odborníci tedy mají vizi: superčisté město a bezodpadové, ekologicky příznivé hospodářství.
Představte si superčisté město budoucnosti. Povrchy veřejných budov, školy nemocnice, kulturní i nákupní centra, celé obytné čtvrti, ale i průmyslové areály a povrchy všech vozovek jsou opatřeny speciálními hmotami a nátěry, které rozkládají škodlivé exhalace z provozu aut, průmyslu, dokonce nebezpečné bakterie a viry. Jedinečnou čisticí schopnost těchto nátěrových hmot umožnil chemický proces, zvaný fotokatalýza.
Klíčovou roli v našem příběhu hraje tento zdánlivě obyčejný bílý prášek. Je to oxid titaničitý. Má výrazný jas, je barevně stálý a má schopnost rozptylovat světlo. Pro tyto své vlastnosti se běžně používá jako titanová běloba do nátěrových hmot, jako barvivo v potravinářství, v keramice, do papíru, nebo jako účinná složka opalovacích krémů, kosmetiky a zubních past. Uplatňuje se i v medicíně, protože podporuje srůst kostí s implantáty – třeba umělých kloubů nebo zubů.
Oxid titaničitý je chemicky stálý, levný a netoxický. Tento prášek však má neobyčejné vlastnosti. Tak zvláštní, že chemici tomu zpočátku nechtěli ani uvěřit. Všechno začalo v šedesátých letech minulého století. Nejprve na Technické univerzitě ve švýcarském Lausanne přišel prof. Michael Graetzel s teorií fotokatalýzy. Roku 1967 zpracovával na Tokijské univerzitě pod vedením profesora Kenichiho Hondy svou dizertační práci mladý chemik Akira Fujishima, který teorii fotokatalýzy ověřoval v praxi.
Elektrodu z oxidu titaničitého, umístěnou ve vodě, vystavoval silnému světlu. Zjistil, že na elektrodě se začínají vyvíjet drobné bublinky kyslíku, na druhé elektrodě z platiny pak vznikal vodík. Šlo tedy o rozklad vody. Když však světlo vypnul, vznik bublinek ustal. Fujishima tento jev nazval „fotokatalýzou“.
Právě fotokatalytické reakce jsou přitom základem života na Zemi. Nejznámější z nich – fotosyntéza – využívá ohromné množství sluneční energie. Každoročně tak na naší planetě vzniká sto sedmdesát miliard tun biomasy.
Zatímco jedinečnou fotosyntézu jsme se ještě zdaleka nenaučili napodobit ani provozovat uměle, využíváme už běžně jiný foto-elektro-chemický jev. Pomocí něj ve fotovoltaických článcích měníme energii slunečního záření na elektřinu.
Píše se rok 1972. V prestižním časopisu Nature vychází Fujishimova práce o fotokatalytickém rozkladu vody pomocí světla a oxidu titaničitého. K tomuto novému fenoménu se rázem obrací pozornost výzkumníků na celém světě. I když se tehdy schopnosti titanového prášku rozkládat dostatečně účinně vodu neprokázaly, začala se zkoušet jiná lákavá možnost – rozklad škodlivých látek ze vzduchu.
Údolí Vltavy na sever od Prahy. V areálu výzkumných ústavů sídlí i Ústav anorganické chemie naší Akademie věd. V rámci materiálového výzkumu se zdejší výzkumníci zaměřili také na oxid titaničitý a jeho využití.Titan patří k nejrozšířenějším kovům zemské kůry. Jeho nejstabilnější sloučeninou je právě oxid titaničitý. Tento jemný bílý prášek se vyskytuje ve třech formách. Jako rutil se už dlouho vyrábí průmyslově a používá se jako kvalitní bílý pigment.
Jeho druhá forma, anatas, se připravuje především v podobě nepatrných kuliček o velikosti průměrně dvacet milióntin milimetru, tedy dvacet nanometrů. Na snímcích z elektronového mikroskopu vidíte, že povrch těchto nanočástic je přesto velice porézní. Částice tedy mají obrovský aktivní povrch. Kuličky z jediného gramu prášku svým povrchem pokryjí plochu až 700 metrů čtverečních. Pouhých 12 gramů oxidu by svým povrchem pokrylo plochu fotbalového stadionu.
To je oxid titaničitý – tento podivuhodný fotokatalyzátor. A na jakém principu funguje samotná fotokatalýza? Všechno rozpoutá světlo. Na fotokatalyzátor nejprve dopadá ultrafialové záření, které je součástí slunečního světla. Na povrchu fotokatalyzátoru vznikají dvojice kladných a záporných nábojů. Ty reagují s molekulami kyslíku a vody z ovzduší a na povrchu katalyzátoru vznikají vysoce reaktivní hydroxylové a peroxidové radikály. Tyto částice útočí na organické látky z okolního vzduchu nebo vody. Jsou to především škodliviny jako benzen, toluen, aceton, butan a jiné. Během redukčně oxidační reakce se organické škodliviny rozpadají. Je to vlastně opak přírodní fotosyntézy, při níž složitější organické látky – především cukry – vznikají.
Radikály dokonce napadají povrch virů, bakterií a plísní a ničí je. Konečnými produkty fotokatalýzy jsou anorganické látky – oxid uhličitý a voda. Po ruce tedy máme jedinečný prostředek k ničení škodlivých látek i mikrobů. Dokonce funguje i ve vodním prostředí čistíren odpadních vod. Nepotřebuje megawatty elektřiny, stačí mu pouhé denní světlo, obsahující UV záření. Jak vzdálená je tedy vize našich čistých měst zítřka?
I tentokrát se výzkum vydal cestou vojenských aplikací. Spojitost je překvapivě prostá. Nebezpečné chemické bojové látky a potřeba rychle a snadno dekontaminovat zasaženou vojenskou techniku. Tak, aby neutrpěla především citlivá elektronika a optika. Specialisté z Ústavu anorganické chemie vyvinuli nové metody pro rychlý rozklad bojových otravných látek. A použili pro ně oxid titaničitý. Aktivita tohoto prášku je tak vysoká, že za jedinou hodinu rozloží až 98 procent otravných látek. Mnohem nebezpečnější nervově paralytické látky – například látku VX – rozloží dokonce do patnácti minut.
Chcete vizi zítřka? Tady je. Fotokatalyzátor nanesený na různé druhy povrchů. Ve fotokatalytické laboratoři v Řeži teď testují jejich schopnost rozložit škodliviny z vodného nebo vzdušného prostředí. Do unikátního fotoreaktoru vlastní řežské konstrukce se umísťuje skleněná destička s nanesenou vrstvičkou fotokatalyzátoru. Instaluje se zdroj ultrafialového záření – speciální zářivka. Vzduchotěsně uzavřeným prostorem proudí přesně měřené množství vzduchu. Sleduje se a zaznamenává množství vznikajících produktů fotokatalýzy.
Asi jen stěží postřehnete rozdíl v odstínu těchto prášků. Přesto je podstatný. Vzorek napravo je totiž oxid titaničitý obohacený oxidem jednoho ze vzácných kovů. Je to původní, dnes už světovým patentem chráněná myšlenka českých chemiků z Řeže. Na upraveném fotokatalyzátoru totiž probíhá rozklad škodlivin i při běžném, bílém světle a dokonce při umělém osvětlení! Tento katalyzátor nevyžaduje fotony s tak vysokou energií, jakou mají fotony ultrafialového záření. Účinnost nového fotokatalyzátoru potvrzuje měření rozkladu látky ve vodném prostředí. V tomto případě oranžového barviva. Pokles jeho koncentrace se projevil už během několika minut.
Naše výprava za barvou pro čistá města zítřka teď vede do sousední haly. Patří Pilotnímu centru Ústavu anorganické chemie.
Ing. Vladimír Havlín, CSc., ASTEING: V současné době tady hledáme technologické postupy pro výrobu fotokatalytického pigmentu, který byl vyvinut v laboratorním měřítku, pro firmu Rokospol, která ji používá jako přídavek, jako aktivní substanci ve fotokatalytické barvě.
První nátěrová hmota na světě, která fotokatalyticky rozkládá škodliviny za běžného, viditelného světla, se zrodila a dnes už i vyrábí zde, v Kaňovicích, v půvabné kopcovité krajině nedaleko Zlína. Jak vlastně originální myšlenka na rozklad škodlivin pomocí světla dospěla až do praktické podoby nátěrové hmoty?
PhDr. Antonín Kočař, CSc., Rokospol, Zlín: Nemůžeme si dost dobře dovolit realizovat základní výzkum v podmínkách vlastní výrobní firmy. Proto jsme našli takovéhoto partnera v Akademii věd.
Ovšem ani výrobce, který má přehled o výsledcích základního výzkumu a pozorně sleduje trendy ve svém oboru, to nemá snadné. V případě fotokatalyzátoru z nepatrných nanočástic to platilo obzvláště.
Ing. Petr Ratajský, vývojový ředitel, Rokospol, Zlín: Nastává problém, jak tento prášek dostat do pojiva, aby nátěrová hmota měla ještě vlastnosti tak, jaké má mít. To znamená, že musí být otěruvzdorná, musí krýt, musí být prodyšná, nesmí obsahovat žádné jiné chemikálie, které by rušily vlastnosti toho fotokatalyzátoru.
Základní typ nátěrové hmoty, který dostal název Detoxy color, prošel úspěšně testy a je už k dispozici pro aplikace, zatím však jen v interiérech. Specialisté Rokospolu společně s chemiky z Řeže nyní pokračují ve vývoji varianty pro vnější fasády i průhledného nástřiku na skla a skleněné fasády, pro nástřiky dopravního značení a povrchů vozovek.
Nová nátěrová hmota byla podrobena také testům ve specializované laboratoři Státního zdravotního ústavu. Vzorky nátěrů byly vystaveny působení mikroorganizmů – kvasinkovitých hub, obecně známých jako plísně, a bakterií. Mezi nimi byly známé Escherichia coli i obávaný Stafylococcus aureus. Mikrobiologové zjišťovali, zda organizmy na nátěru hynou nebo rostou.
MUDr. Věra Melicherčíková, CSc., vedoucí Národní referenční laboratoře pro dezinfekci a sterilizaci, SZÚ: U téhle barvy, kterou teď konkrétně testujeme, se ukázalo, že potlačuje růst mikroorganizmů. A že jsou vlastně zabity.
Houba Aspergilus niger produkuje černý pigment. Proto byla testovací plocha nejprve kontaminována houbou a teprve na ni se nanesl nátěr tak, aby měl zajištěn přístup světla.
MUDr. Věra Melicherčíková, CSc., vedoucí Národní referenční laboratoře pro dezinfekci a sterilizaci, SZÚ: Nyní pokračuje testování v tom, že se zkouší, jestli ty mikroorganizmy rostou nebo ne, zda ten nátěr je schopen omezit růst organizmů a na jak dlouhou dobu.
Zjistilo se také, že viry na aktivním povrchu fotokatalytických nátěrů ztrácejí schopnost množení v hostitelských buňkách. Pro tyto baktericidní účinky budou mít nátěrové hmoty jedinečné uplatnění v prostorách nemocnic, zdravotních středisek, škol, úřadů, veřejných umýváren a toalet. Opět se před námi otvírá vize čistých měst blízké budoucnosti. Budovy i vozovky upravené přípravky s fotokatalyzátorem.
Denní a dokonce i umělé světlo dostatečně silné, aby z ovzduší – bez požadavků na elektrickou energii – snadno a tiše likvidovalo zplodiny aut, průmyslu, topení, škodlivé chemické látky. Tyto postupy se už zkoušejí například v některých italských městech.
Před námi je ještě jedna velice pozoruhodná role a vize fotokatalyzátorů: jako důležité součásti vodíkového hospodářství – nové energetiky zítřka.
Mgr. Václav Štengl, Ph.D., Fotokatalytická laboratoř, ÚACH AV ČR: V současné době máme grant Ministerstva průmyslu a obchodu, jehož úkolem je najít vhodné modifikace oxidu titaničitého pro rozklad vody na vodík a kyslík.
Je tedy reálná vize měst a vesnic, jimž čisté a zdravější životní prostředí přinese mohutné využití nátěrů s fotokatalytickými samočisticími účinky?
Tady je předpověď specialisty z týmu Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, který se na vývoji fotokatalytických hmot podílí.
prof. Ing. Lubomír Lapčík, DrSc., Dr.h.c., Ústav fyziky a materiálového inženýrství, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně: Vzhledem na obrovské množství prací, které jsou publikovány a obrovské nasazení pracovního potenciálu ve vyspělých zemích možno očekávat, že v průběhu deseti až patnácti let tato otázka bude vyřešena i z ekonomického hlediska.
Spousty aplikací a lákavá perspektiva konečně bezodpadového, ekologicky příznivého hospodářství. Technicky je to všechno uskutečnitelné už dnes.
Autoři: Vladimír Kunz, Šárka Speváková