Σύνδεση και αντίδραση μορίων SO2 σε επιφάνεια διοξειδίου του τιτανίου
Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) είναι ένα κοινό υλικό που χρησιμοποιείται ως λευκή χρωστική ουσία από την αρχαιότητα. Σήμερα, ωστόσο, είναι περισσότερο γνωστό στην επιστημονική κοινότητα για τη λεγόμενη φωτοκαταλυτική του ιδιότητα — δηλαδή την ικανότητα να καταλύει χημικές αντιδράσεις μέσω της απορρόφησης του φωτός. Αυτή είναι μια διαδικασία στην οποία η ενέργεια του ηλιακού φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να οδηγήσει σε χημικές αντιδράσεις, για παράδειγμα, διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο, μείωση του CO2 σε συνθετικά καύσιμα ή αποσύνθεση τοξικών ενώσεων στον αέρα, το νερό και το έδαφος.
Το διοξείδιο του θείου (SO2) είναι ένας τοξικός ατμοσφαιρικός ρύπος που εκπέμπεται κατά την καύση ορυκτών καυσίμων και έχει αποδειχθεί ότι μπορεί να αφαιρεθεί απευθείας από τα καυσαέρια μέσω φωτοκατάλυσης στην επιφάνεια του TiO2. Έχει επίσης αποδειχθεί ότι, κάτω από τις σωστές αγωγές αντίδρασης, το μόριο SO2 μπορεί να συνδεθεί σφιχτά στην επιφάνεια TiO2 και να οξειδωθεί περαιτέρω σε θειικό με τρόπο που επεκτείνει τη μακροπρόθεσμη φωτοκαταλυτική απόδοση και επίσης καθιστά την επιφάνεια υδρόφιλη (ελκυστική για το νερό ).
Για αυτούς τους λόγους, έχει μεγάλο ενδιαφέρον να αποκτήσουμε μια θεμελιώδη γνώση για το πώς αντιδρά το SO2 στην επιφάνεια του TiO2. Χρησιμοποιώντας έναν ειδικό τύπο τεχνικής υπέρυθρης φασματοσκοπίας που ονομάζεται IRRAS (Infrared Reflection-Absorption Spectroscopy) σε συνδυασμό με προσομοιώσεις που βασίζονται σε κβαντομηχανική μοντελοποίηση, κατέστη δυνατός ο προσδιορισμός του λεπτομερούς προσανατολισμού του μορίου SO2 στην επιφάνεια του ρουτιλίου TiO2(110) ενός κρυστάλλου , συμβάλλοντας έτσι στην κατανόηση των πιθανών οδών αντίδρασης του SO2 στο TiO2.
Η τεχνική IRRAS δίνει μοναδικές πληροφορίες σχετικά με τη χημική ταυτότητα, την αντοχή του δεσμού και τον προσανατολισμό των μορίων στις επιφάνειες. Η γεωμετρία των δεσμών αξιολογείται με μέτρηση του IRRAS με προσπίπτουσα γραμμικά πολωμένη ακτινοβολία κατά μήκος διαφορετικών κατευθύνσεων του κρυστάλλου TiO2. Τα μόρια με διαφορετικούς προσανατολισμούς δέσμευσης στην επιφάνεια θα ανταποκριθούν διαφορετικά στο φως με μια συγκεκριμένη κατεύθυνση πόλωσης και πρόσπτωσης. Υπολογίζοντας σταθερές διαμορφώσεις προσρόφησης χρησιμοποιώντας κβαντομηχανικούς υπολογισμούς, είναι δυνατή η προσομοίωση τέτοιων αποκρίσεων και στη συνέχεια η απευθείας σύγκριση με τα μετρούμενα αποτελέσματα.
Μια τέτοια συνδυασμένη πειραματική και θεωρητική προσπάθεια εργασίας επέτρεψε τη μοναδική χαρτογράφηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ SO2 και μονοκρυσταλλικού ρουτιλίου TiO2(110) σε περιβάλλον εξαιρετικά υψηλού κενού. Τα αποτελέσματα οδήγησαν σε μια επανερμηνεία των δεδομένων που αναφέρθηκαν προηγουμένως, όπου τώρα υποστηρίζουμε ότι το SO2 αρχικά σχηματίζει επιφανειακά είδη που μοιάζουν με θειώδες και στη συνέχεια αντιδρά περαιτέρω με κενά άτομα οξυγόνου και νερό για να σχηματίσει ένα επιφανειακό θειικό είδος.
Αυτά είναι τα στενά συνδεδεμένα μόρια που επάγουν υδρόφιλες ιδιότητες και ενισχυμένη φωτοκαταλυτική δραστηριότητα λόγω των όξινων ιδιοτήτων τους που λειτουργούν ως πηγή πρωτονίων. Έχουμε δείξει προηγουμένως ότι αυτά τα επιφανειακά είδη σχηματίζονται με υπεριώδες φως σε ατμόσφαιρα οξυγόνου σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα πρόσφατα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι μπορούν επίσης να σχηματιστούν παρουσία νερού σε μια επιφάνεια που περιέχει κενές θέσεις οξυγόνου.
Τα ευρήματα αναφέρονται στο άρθρο με τίτλο SO2 adsorption on rutile TiO2(110):An infrared reflection-absorption spectroscopy and density functional theory study, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Surface Science . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους David Langhammer, Jolla Kullgren, Pavlin Mitev και Lars Österlund από το Πανεπιστήμιο της Ουψάλα, Σουηδία.
