Základní údaje o výzkumném centru NANOPIN
Výzkumné centrum pro nanopovrchové inženýrství "NANOPIN" bylo založeno v roce 2005 jako Centrum aplikovaného výzkumu 1M (Projekt č. 1M0577) v rámci Programu výzkumu a vývoje Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovi ČR. Centrum tvoří pět institucí: Advanced Technology Group (ATG), Ústav anorganické chemie Akademie věd České republiky (ÚACH), Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského Akademie věd České republiky (ÚFCH JH), Vysoká škola chemicko-technologická v Praze (VŠCHT) a Technická univerzita Liberec (TUL).
Hlavním předmětem výzkumné činnosti centra NANOPIN je komplexní studium unikátních fotokatalytických vlastností nanokrystalického oxidu titaničitého zacílené na následné potenciální průmyslové aplikace v oblastech samočisticích a hygienických povrchových úprav, fotokatalytického čištění a desinfekce vzduchu, vody a kontaminované zeminy, organické syntézy a využití sluneční energie.
Vlastnosti fotokatalytického TiO2
Minerály rutil a anatas jsou nejběžnějšími krystalickými formami oxidu titaničitého. Zatímco rutil se jako bílý pigment, tzv. titanová běloba, průmyslově vyrábí a používá již dlouhou dobu, aplikace založené na specifických vlastnostech nanokrystalického anatasu se začínají rozvíjet teprve v současnosti.
Jednou z těchto vlastností je fotokatalytická aktivita umožňující působením ultrafialového záření (λ < 390 nm) degradovat na povrchu nanočástic TiO2 veškeré organické struktury, včetně mikroorganizmů. Tyto děje jsou založeny na pohlcování světelných kvant polovodičovou elektronovou strukturou TiO2, což vede ke vzniku dvojic kladných (h+) a záporných nábojů (e-). V přítomnosti vody a kyslíku se tyto částice na povrchu TiO2 transformují na vysoce reaktivní radikály (zejména OH a O2-), které následně atakují organické látky a mikroorganismy obsažené v okolním vodném roztoku popř. plynné fázi (příklad A na obrázku dole). Tím je zahájen sled jejich degradačních reakcí vedoucí nakonec až k neškodným minerálním produktům. Druhou významnou vlastností anatasu je jeho fotokatalyticky indukovaná superhydrofilita. Neozářený povrch anatasu má, podobně jako je tomu u jiných oxidů kovů, hydrofobní charakter. Vysrážená vodní pára na něm tvoří oddělené kapičky, které rozptylují světlo, a tím vytvářejí neprůhlednou vrstvu. Působením ultrafialového záření se však povrch anatasu stává silně hydrofilním, vodní kapičky se spojí a vytvoří na něm dokonale průhledný molekulární film, po kterém další voda snadno stéká (příklad B).
Díky kombinaci těchto dvou vlastností, tj. fotokatalytické aktivity a fotokatalyticky indukované superhydrofility, mají vrstvy tvořené nanočásticemi anatasu na světle samočisticí schopnosti a desinfekční účinky. Na površích pokrytým takovouto vrstvou dochází působením ultrafialového záření, které je součástí nejen přímého slunečního svitu, ale v menší míře i denního světla v interiérech, k oxidativní mineralizaci usazených organických sloučenin a mikroorganizmů, ale také plynných škodlivin obsažených v okolním ovzduší. Navíc anorganické prachové částice na očištěném, vysoce hydrofilním povrchu neulpívají a mohou z něj být snadno odstraněny, např. deštěm.
Je zřejmé, že tyto postupy slibují zcela mimořádné komerční možnosti pro mnohá průmyslová odvětví. Jako příklad může sloužit situace v Japonsku, kde jsou se zaváděním těchto nových špičkových technologií do praxe nejdále. Obchodní obrat z prodeje anatasu, tj. fotoaktivní formy oxidu titaničitého, v posledních letech trvale vzrůstá a v roce 2006 by měl v přepočtu dosáhnout výše jedné miliardy eur. Kromě samočisticích a hygienických povrchových úprav exteriérů (fasády domů, střechy, okenní skla, vozovky a chodníky, betonové, kovové a skleněné konstrukce atd.) a interiérů (desinfekční keramické obklady, nátěry, plastové a textilní povrchy aj.) existuje i řada dalších možných aplikací nanočásticového oxidu titaničitého např. v automobilovém průmyslu (karoserie, skla a neorosující se zpětná zrcátka), medicíně (lékařské nástroje a jiné materiály se zvýšenou sterilitou), textilním, sklářském či potravinářském průmyslu a v neposlední řadě při ochraně životního prostředí (čištění a desinfekce vody i vzduchu, dekontaminace zamořené zeminy, odstraňování ropných a olejových skvrn aj.) Se zvyšující se hrozbou terorismu začaly nabývat fotokatalytické nanopovrchy i strategický význam a stávají se jednou z výzkumných priorit i v USA.
