fotocatálisis: mecanismo, materiales y medición

La fotocatálisis acelera una reacción química mediante luz en presencia de un semiconductor que no se consume por sí mismo. Los fotones ultravioleta o visibles de energía suficiente generan pares electrón-hueco en el fotocatalizador –más comúnmente dióxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO) o, cada vez más, materiales activos con luz visible como el nitruro de carbono (g-C3N4)– que forman especies reactivas del oxígeno en la superficie y descomponen contaminantes orgánicos, microorganismos o componentes disueltos del agua. El objetivo técnico es lograr una actividad fotocatalítica reproducible y energéticamente eficiente para la purificación del aire, el tratamiento de aguas, las superficies autolimpiantes o la producción fotocatalítica de hidrógeno. Lo que determina el resultado no es la potencia eléctrica nominal de la lámpara, sino la irradiancia espectral que realmente llega al catalizador –de ella se deriva el flujo de fotones, y solo a partir del flujo de fotones pueden calcularse la eficiencia fotónica y el rendimiento cuántico–.

El crecimiento está impulsado principalmente por la demanda derivada de la normativa sobre la calidad del aire interior, por las normativas de construcción para materiales de fachada y pavimento autolimpiantes y purificadores de aire, y por la ampliación del tratamiento de aguas para contaminantes orgánicos persistentes. Este crecimiento desplaza el valor de la simple venta de materiales hacia sistemas probados y certificados: el rendimiento fotocatalítico debe demostrarse conforme a una norma, no simplemente afirmarse. Esto se aplica a las tres etapas de valor orientadas al producto: materias primas y polvos, recubrimientos y productos de construcción, y equipos, mientras que en la investigación (producción de hidrógeno, reducción de CO2) es el rendimiento cuántico basado en fotones el que determina si un nuevo material constituye realmente un avance. Por ello, los métodos de ensayo normalizados y la tecnología de medición que captan el flujo de fotones y la irradiancia en el lugar de la reacción fotocatalítica, en lugar de en la lámpara, son ahora más determinantes que antes.

Cuatro desarrollos determinan hacia dónde se dirige técnicamente la fotocatálisis:

• Transición de las lámparas de mercurio a matrices de LED UV-A en equipos de ensayo y producción. El espectro pasa de un espectro amplio de líneas/continuo a una banda estrecha; los valores AQY antiguos determinados con lámparas de mercurio no son transferibles a configuraciones de ensayo basadas en LED sin una nueva caracterización.
• Desarrollo de fotocatalizadores activos con luz visible. Las variantes de TiO2 dopado, las heterouniones de g-C3N4 y los sistemas de esquema Z desplazan la excitación utilizable hacia el rango visible. Los radiómetros exclusivamente UV resultan insuficientes para una caracterización completa; las mediciones espectrales que abarcan los rangos UV y visible, así como las condiciones de ensayo con simulación solar, cobran mayor importancia.
• Avance de la normalización. Las actualizaciones de la norma ISO 10678 y los métodos de ensayo complementarios como la norma EN 16845-1 mejoran la comparabilidad de los valores de actividad fotocatalítica publicados. La comparabilidad solo se logra si el método utilizado para determinar el flujo de fotones se documenta junto con dichos valores.
• Investigación en producción fotocatalítica de hidrógeno y combustibles solares. Los fotocatalizadores más recientes basados en oxihaluros y heteroestructuras alcanzan rendimientos cuánticos crecientes a escala de laboratorio. El paso de la escala de laboratorio a la escala piloto requiere una nueva caracterización óptica, ya que cambian la longitud de trayectoria óptica y el autosombreado.

Los tamaños de mercado, las tasas de crecimiento y las fuentes de este campo de aplicación se resumen en la página Evolución del mercado de la tecnología UV.

La fotocatálisis en semiconductores se basa en la excitación de electrones a través de la banda prohibida. Cuando se absorbe un fotón con una energía al menos igual a la energía de la banda prohibida E_g, un electrón se eleva de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un "hueco" (h⁺) cargado positivamente. Este par electrón-hueco se recombina sin radiación –en cuyo caso la excitación se pierde sin efecto químico– o migra a la superficie y desencadena allí reacciones redox: el hueco oxida el agua o los iones hidróxido a radicales hidroxilo (•OH), uno de los oxidantes más reactivos en sistemas acuosos, mientras que el electrón reduce el oxígeno adsorbido a radicales anión superóxido (O2•⁻). Ambos radicales, junto con el hueco directamente oxidante, degradan moléculas orgánicas, microorganismos y contaminantes inorgánicos. La velocidad de este proceso viene determinada por la competencia entre la separación de cargas y la recombinación, que a su vez depende de la estructura cristalina, la densidad de defectos, el dopaje, el estado superficial y, en heterouniones, de la alineación de bandas entre dos semiconductores.

La fotocatálisis no es una industria autónoma, sino una tecnología transversal que abarca la ciencia de materiales, la ingeniería ambiental y la tecnología energética. El dióxido de titanio sigue predominando porque es químicamente estable, no tóxico y económico; sus tres fases cristalinas naturales -anatasa, rutilo y brookita- presentan bandas prohibidas diferentes y, por tanto, longitudes de onda de activación distintas. El óxido de zinc se sitúa en una posición espectral similar, pero muestra una estabilidad a largo plazo menor en condiciones húmedas o ácidas. Para la excitación en el rango visible, el nitruro de carbono (g-C3N4), el TiO2 dopado con nitrógeno o carbono, los cocatalizadores plasmónicos y las heterouniones de tipo Z están ganando terreno porque mejoran la separación de cargas y desplazan la absorción hacia el espectro visible.

Se emplean cinco tipos de fuentes de luz para el ensayo y el procesamiento, que difieren notablemente en pureza espectral y campo de aplicación. Las lámparas fluorescentes UV-A (tubos «blacklight») ofrecen una banda de emisión consolidada en torno a 365 nm, pero su fósforo envejece y contienen mercurio; las lámparas de mercurio de media presión suministran conjuntamente una salida UV y visible elevada a partir de un continuo amplio, a costa de una carga térmica alta. Los LED UV-A de 365, 385 o 395 nm son de banda estrecha (típicamente de 10 a 15 nm de FWHM), no contienen mercurio, conmutan rápidamente y ofrecen un control de la dosis estable, aunque su pico de emisión depende de la temperatura y no cubren los materiales activos en luz visible. Para los sistemas activos en luz visible e impulsados por energía solar, un simulador solar de xenón con filtro AM1.5 sirve como fuente de ensayo más realista, con un espectro continuo cercano al de la luz solar. Los LED de luz blanca y los tubos fluorescentes son una fuente de ensayo sencilla y económica para aplicaciones de interior, pero a menudo aportan un contenido UV insuficiente para los materiales de referencia activos en UV.

El rendimiento fotocatalítico no viene determinado por una única magnitud, sino por la interacción de varias variables físicas y químicas que deben registrarse por separado. El punto de partida es la irradiancia espectral en el catalizador (mW/(cm²·nm)): solo la fracción por encima de la energía de banda prohibida puede generar pares electrón-hueco, y el resto no contribuye a la reacción aunque sí se sume a la potencia radiante total. De ahí se deriva el flujo de fotones (mol/(s·m²) o fotones/(s·cm²)) – la conversión química viene determinada por el número de fotones, no por la potencia en vatios, y dos fuentes de igual potencia pero distinta longitud de onda suministran flujos de fotones diferentes. La energía de banda prohibida y el borde de absorción (eV o nm) fijan qué parte del espectro de la fuente puede aprovecharse en absoluto; un desplazamiento del borde de absorción de solo unas décimas de electronvoltio decide si un material es activo en UV o en luz visible. El rendimiento cuántico aparente (AQY, adimensional, generalmente expresado en porcentaje) describe qué proporción de los fotones incidentes desencadena realmente un evento productivo – no es una constante del material, sino que depende de la concentración, la geometría del reactor y la intensidad de la luz.

La carga de catalizador o la superficie activa (g/L o m²/m²) también determina cuánta radiación puede absorberse antes de salir del reactor sin aprovechar – con una carga demasiado alta, la profundidad de penetración disminuye y parte del catalizador queda sin iluminar. El contenido de oxígeno y el transporte de masa (mg/L o mol/(m²·s)) limitan la reacción con independencia de la radiación disponible, en cuanto el aceptor de electrones habitual, el oxígeno, no se repone con la suficiente rapidez. En líquidos, la irradiancia disminuye de forma exponencial con la longitud del trayecto óptico según la ley de Beer-Lambert; la dispersión provocada por partículas o la turbidez (NTU) reduce aún más la zona de reacción efectivamente utilizable. La temperatura, por último, influye en los equilibrios de adsorción, en la cinética de la reacción y, en algunos sistemas, en la velocidad de recombinación de los portadores de carga.

La potencia eléctrica de la lámpara no es una variable óptica del proceso. Una indicación como «lámpara UV de 100 W» no describe ni la fracción espectral utilizable ni la proporción que realmente alcanza el catalizador. Lo relevante es únicamente la irradiancia espectral en el punto de reacción y el flujo de fotones derivado de ella.

El rendimiento cuántico y el rendimiento cuántico aparente se confunden con frecuencia. El rendimiento cuántico «verdadero» se refiere al número de fotones absorbidos; en suspensiones dispersivas o capas opacas este valor es prácticamente imposible de medir directamente. En la práctica, por ello, se indica en su lugar el rendimiento cuántico aparente (AQY), referido al número de fotones incidentes. Dos estudios con el mismo material pero distinta geometría de reactor e irradiancia pueden arrojar valores de AQY marcadamente diferentes sin que el material en sí sea distinto. De ello se deduce también que la irradiancia medida en la pared del reactor o fuera de la cubeta constituye un límite superior, no un balance del flujo de fotones realmente disponible: la reflexión, la absorción, la dispersión por partículas y el sombreado de las paredes del reactor modifican todos ellos la irradiancia entre la salida de la lámpara y la superficie del catalizador.

La ley de reciprocidad solo se cumple de forma limitada en fotocatálisis: a baja irradiancia, la velocidad de reacción aumenta de forma aproximadamente proporcional al flujo de fotones, pero al incrementarse la irradiancia también aumenta la densidad de portadores de carga fotogenerados, por lo que la velocidad de recombinación crece de forma desproporcionada y el rendimiento cuántico aparente disminuye; duplicar la potencia de la lámpara, por tanto, no suele traducirse en el doble de la velocidad de reacción, y un flujo de fotones más alto no siempre es la solución más sencilla, ya que también puede aumentar la carga térmica sobre el catalizador. Un dato de tiempo puro tampoco constituye, en consecuencia, una variable de proceso transferible: un tiempo de degradación solo es reproducible dentro de una configuración de aparato invariable, y si cambian la lámpara, la distancia, la geometría del reactor o la carga de catalizador, el flujo de fotones efectivo varía sin que el tiempo indicado lo revele. La fase cristalina y la cristalinidad se subestiman con frecuencia: el TiO2 comercial suele ser un material de fase mixta con distinto comportamiento de recombinación entre fases, y su actividad fotocatalítica no se deriva de forma aditiva de las fases individuales, sino que depende de la calidad de la interfaz entre ellas.

El propio instrumento añade su contribución: un sensor calibrado frente a un tipo de fuente distinto muestra un error adicional en un LED de banda estrecha. Los detalles se exponen en desajuste espectral de los sensores UV y selección de sensores UV.

Los catalizadores en suspensión y los inmovilizados plantean problemas de medición diferentes. Una suspensión ofrece una gran superficie activa, pero complica la separación y el transporte de la luz: a medida que aumenta la concentración de partículas, la profundidad de penetración disminuye y una proporción cada vez mayor de la radiación se consume en la capa más cercana a la ventana.

Las películas inmovilizadas sobre vidrio, membranas o soportes porosos son más fáciles de manejar y de describir ópticamente, ya que se conoce el área activa. A cambio, la menor superficie activa y el transporte de masa limitan la velocidad. Al comparar ambos enfoques, la irradiancia referida al área activa constituye una base más sólida que cualquier valor referido al volumen del reactor.

Los experimentos fotocatalíticos se realizan en geometrías muy diferentes: sobre vidrio recubierto, en suspensión, sobre membranas, en reactores de flujo continuo, sobre soportes porosos o en microrreactores. Por lo tanto, una lectura tomada fuera del reactor no describe automáticamente las condiciones dentro del volumen de reacción: la reflexión, la absorción, la dispersión y el sombreado modifican lo que está disponible.

En el caso de las muestras planas, la uniformidad del campo de irradiación determina si todas las partes de la misma probeta reciben la misma dosis. En los líquidos se añade la atenuación a lo largo del trayecto óptico, que depende de la longitud de onda. Por ello, los trabajos comparativos deben registrar la distancia de trabajo, la altura de la muestra y, en superficies más grandes, una cuadrícula espacial. Esto es lo que convierte un ajuste de la lámpara en una condición de contorno óptica reproducible.

Los fotocatalizadores no tienen una longitud de onda umbral definida, sino un borde de absorción de pendiente finita. Los defectos, el dopaje y las vacantes de oxígeno crean estados intermedios adicionales que permiten una absorción – por lo general débil – incluso por debajo de la energía de banda prohibida nominal. El TiO2 comercial (como el P25) es un material de fase mixta anatasa-rutilo con un borde de absorción efectivo en torno a 387 nm; las fases puras de anatasa y de rutilo difieren de este valor en varios nanómetros. En el caso de materiales activos con luz visible, como el TiO2 dopado o el g-C3N4, el borde se desplaza notablemente hacia el rango visible, de modo que una medición limitada al UV ya no capta por completo la excitación aprovechable – una de las razones por las que las fuentes de prueba y los equipos de medición para tales materiales deben cubrir conjuntamente los rangos UV y visible.

La banda prohibida de un fotocatalizador es un umbral, no una eficiencia. Un fotón por debajo de la energía de la banda prohibida prácticamente no lo excita. El límite se deriva directamente de la energía de la banda prohibida:

λ_edge [nm] = 1240 / E_g [eV]

Para el TiO2 en su forma anatasa con 3,2 eV, esto da 388 nm. Por encima de esa longitud de onda ya no ocurre nada: 100 W/m² a 400 nm no producen ni un solo portador de carga en la anatasa, mientras que 1 W/m² a 365 nm sí. Por eso las longitudes de onda habituales de los LED UV son 365 y 385 nm: cerca del límite, pero de forma segura por debajo de él.

Del umbral se deduce una regla que se pasa por alto con frecuencia al elegir la fuente de luz: solo cuenta la parte del espectro por debajo del borde de absorción. Una lámpara que emite el 80 % de su potencia radiante en el visible es un 80 % inútil para la anatasa: el catalizador solo ve el 20 % restante.

Ir hacia longitudes de onda más cortas tampoco aporta una ganancia proporcional. La energía sobrante de los fotones de menor longitud de onda no se convierte en más portadores de carga, sino que se libera como calor: un fotón a 254 nm produce el mismo único par electrón-hueco que uno a 365 nm, cuesta más energía y trae consigo efectos secundarios: formación de ozono por debajo de 200 nm y envejecimiento acelerado del sustrato y de las juntas.

De ahí la magnitud que hay que medir: no la potencia de la lámpara, sino la irradiancia espectral en el catalizador, integrada hasta el borde de absorción. Los espectros medidos de las fuentes UV habituales se encuentran en la base de datos espectral; superponer el espectro relevante a su propio material responde a la pregunta de selección más rápido que cualquier valor de una hoja de datos.

Para el montaje experimental esto significa: las fuentes UV LED a 365 o 385 nm entregan casi toda su potencia dentro del rango de excitación. Las cámaras UV LED de la serie BSL la suministran con irradiancia definida y control de la dosis en toda una superficie de muestra, condición previa para que dos ensayos sean comparables. La medición es espectral, con el UVpad E, porque un sensor de banda ancha se desvía sistemáticamente ante un LED de banda estrecha.

Ambos procesos terminan en la misma especie activa: el radical hidroxilo OH•, el oxidante más fuerte utilizable en la práctica en el tratamiento de aguas. La vía hasta llegar allí es lo que los diferencia, y de ello se deriva qué proceso conviene en cada caso.

• La fotocatálisis genera los radicales en la interfaz: el fotón separa un par electrón-hueco en el semiconductor, y el hueco oxida el agua o el hidróxido adsorbidos a OH•. La reacción tiene lugar donde se encuentra el catalizador: sobre una superficie, o sobre la superficie de la partícula en suspensión.
• El AOP con UVC y ozono los genera en el volumen: 185 nm escinde el oxígeno y forma ozono, 254 nm vuelve a escindir el ozono; en conjunto, se forma OH• en toda la fase líquida o gaseosa irradiada, sin catalizador y sin superficie.

La consecuencia práctica: la fotocatálisis tiene ventaja donde ya existe una superficie y esta debe actuar: recubrimientos autolimpiantes, cuerpos de panal recubiertos en la purificación del aire, catalizadores inmovilizados en flujo. El AOP tiene ventaja donde hay que tratar rápidamente un volumen y no se dispone de una superficie. Ambos compiten menos a menudo de lo que sugiere la bibliografía; sirven a geometrías diferentes.

La página sobre UVC y ozono trata en detalle la segunda vía: limpieza y activación de superficies con UVC y ozono, con la cámara BS-OX para ensayos a escala de laboratorio.

Energía de la banda prohibida. De E_g = h · c / λ_g se obtiene la longitud de onda umbral λ_g, por debajo de la cual un fotón posee energía suficiente para hacer saltar un electrón a través de la banda prohibida. Para la anatasa TiO2 con E_g ≈ 3,2 eV esto da λ_g ≈ 387 nm, y para el rutilo con E_g ≈ 3,0 eV una longitud de onda umbral mayor, de entre 410 y 413 nm. Los fotones de mayor longitud de onda no contribuyen a la excitación, independientemente de su número.

Flujo de fotones. El flujo de fotones espectral se obtiene a partir de la irradiancia espectral E(λ) mediante N_Ph(λ) = E(λ) · λ / (h · c). Solo la integración sobre el intervalo espectral realmente absorbido por el material proporciona el flujo de fotones relevante para la reacción, y no la irradiancia total medida en banda ancha.

Rendimiento cuántico aparente (AQY). Según la definición de la IUPAC, el rendimiento cuántico es la relación entre el número de eventos definidos y el número de fotones absorbidos; el rendimiento cuántico aparente, de uso más habitual, se refiere en cambio al número de fotones incidentes: AQY = (número de moléculas convertidas o de eventos de portadores de carga) / (número de fotones incidentes). Una comparación significativa entre estudios exige que el flujo de fotones incidentes se haya determinado del mismo modo, por ejemplo mediante actinometría o un radiómetro calibrado. La eficiencia fotónica es una magnitud relativa relacionada pero distinta, que no proporciona un rendimiento cuántico absoluto, sino que solo permite la comparación en condiciones experimentales idénticas.

Límites del modelo. Ambas magnitudes suponen que la velocidad de reacción y el flujo de fotones son aproximadamente proporcionales en el intervalo estudiado. A irradiancias elevadas, en reacciones limitadas por difusión o cuando la reacción inversa del producto es significativa, esta hipótesis deja de cumplirse; el AQY pasa entonces a depender de la intensidad y ya no puede trasladarse sin indicar la irradiancia utilizada.

Suposiciones. Un fotorreactor se opera con un LED UV-A monocromático a 365 nm; se determinó que la irradiancia espectral en la superficie del catalizador es de 5 mW/cm² (= 50 W/m²). Para el fotocatalizador de TiO2 utilizado, se asume un rendimiento cuántico aparente del 1 por ciento, coherente con los órdenes de magnitud publicados. El área activa iluminada del catalizador es de 25 cm².

Modelo. Energía del fotón E_Ph = h · c / λ; flujo de fotones N_Ph = E / E_Ph; velocidad de reacción r = AQY · N_Ph · A.

Cálculo. La energía del fotón a 365 nm es de 5,44 · 10⁻¹⁹ J (equivalente a 3,40 eV, o 328 kJ/mol). El flujo de fotones resulta N_Ph = 50 W/m² / 5,44 · 10⁻¹⁹ J ≈ 9,2 · 10¹⁹ fotones/(s·m²), aproximadamente 153 µmol/(s·m²). Con AQY = 1 por ciento, la velocidad de eventos convertidos es de aproximadamente 1,5 µmol/(s·m²). Referida al área activa de 25 cm² (2,5 · 10⁻³ m²), la velocidad global es de aproximadamente 3,8 nmol/s, equivalente a unos 14 µmol por hora.

Interpretación. La velocidad realmente aprovechable no viene determinada por la potencia en vatios de la lámpara, sino por el producto del flujo de fotones y el rendimiento cuántico aparente. Una lámpara "más potente", con el doble de potencia eléctrica pero el mismo espectro de emisión, duplica aproximadamente el flujo de fotones, pero no necesariamente duplica la velocidad de reacción si el AQY disminuye con una irradiancia más alta. El cálculo también muestra por qué los valores de AQY publicados solo son comparables cuando el flujo de fotones incidente se determinó de la misma manera.

Flujo de fotones con sus propios datos: la potencia radiante que incide en la muestra y la longitud de onda proporcionan fotones por segundo y micromoles por segundo, la magnitud de referencia para cualquier rendimiento cuántico.

Tecnología ambiental y calidad del aire interior. Los purificadores de aire fotocatalíticos y los filtros recubiertos descomponen compuestos orgánicos volátiles, olores y, en parte, óxidos de nitrógeno. Lo que importa aquí es la irradiancia dentro del volumen del flujo de aire, ya que el tiempo de contacto entre la corriente de aire y la superficie catalítica iluminada es corto.

Tecnología de la construcción y de fachadas. Los recubrimientos autolimpiantes sobre vidrio y revoque, y los adoquines fotocatalíticamente activos para la reducción de NOx en cañones urbanos, dependen de la luz solar natural. Lo que importa es la actividad fotocatalítica bajo radiación solar real, a menudo difusa, razón por la cual las normas de ensayo trabajan con una irradiancia UV-A definida en lugar de una "luz solar" no especificada.

Tecnología del agua y de aguas residuales. Descomposición fotocatalítica de contaminantes orgánicos persistentes, residuos farmacéuticos y microorganismos en reactores de membrana o sistemas de flujo continuo. Lo que importa aquí es la longitud del trayecto óptico, la turbidez y la uniformidad de la irradiación en todo el volumen del flujo.

Textiles y bienes de consumo. Recubrimientos textiles fotocatalíticamente autolimpiantes y antimicrobianos. Lo que importa es la activación bajo condiciones de luz interior o cotidianas, que son notablemente más débiles que las condiciones de ensayo de laboratorio.

Tecnología energética e investigación. La producción fotocatalítica de hidrógeno y la reducción de CO2 como enfoques para la generación de combustibles solares. Lo que importa es la determinación precisa del rendimiento cuántico bajo un espectro definido, generalmente simulado solar, porque solo eso distingue el verdadero progreso material de los artefactos de medición.

Tecnología médica e higiene. Superficies fotocatalíticamente activas, a veces combinadas con UV-C, para reducir la carga microbiana en interiores. Lo que importa es separar la contribución fotocatalítica de la puramente fotolítica UV, ya que ambos mecanismos suelen estar presentes al mismo tiempo.

• Materiales activos con luz visible. Las variantes de TiO2 dopado, el g-C3N4 y las heterouniones de tipo Z requieren un espectro que cubra conjuntamente los rangos UV y visible para realizar ensayos realistas; por lo general, un simulador solar con filtro AM1.5 en lugar de una fuente exclusivamente UV-A.
• Reactores de fase gaseosa para la purificación del aire. Los soportes monolíticos o con estructura de nido de abeja aumentan la superficie activa por unidad de volumen, pero requieren una iluminación uniforme en toda la estructura de canales; las mediciones puntuales en el exterior del reactor no reflejan esa distribución.
• Fotorreactores de funcionamiento continuo. En reactores de membrana y de flujo continuo, la dosis efectiva recibida por elemento de volumen depende de la distribución del tiempo de residencia; una irradiancia medida en la pared del reactor solo describe esa distribución si se conocen las características del flujo.
• Escala piloto para la producción de hidrógeno. Al pasar de un reactor de laboratorio a escala piloto, cambian la longitud del trayecto óptico y el autosombreado del catalizador; un rendimiento cuántico determinado en un reactor pequeño no puede trasladarse sin una nueva caracterización.

La tarea de medición se deriva de la cuestión de ensayo o desarrollo subyacente. Para la caracterización de materiales y la comparación de catalizadores, la magnitud objetivo es el flujo de fotones en el punto de reacción, a partir del cual puede calcularse el rendimiento cuántico aparente. Para el aseguramiento de la calidad de un proceso ya cualificado -una línea de producción de recubrimientos autolimpiantes o un purificador de aire, por ejemplo- la magnitud objetivo es una irradiancia constante y dentro de tolerancia en el catalizador.

Varias normas internacionales y europeas establecen condiciones de ensayo definidas para ello: la serie ISO 22197 describe métodos de ensayo para el rendimiento de purificación del aire de materiales fotocatalíticos bajo irradiación UV-A continua a una irradiancia definida; la ISO 10678 establece un método para la actividad fotocatalítica de superficies mediante la degradación de azul de metileno en solución acuosa; la EN 16845-1 extiende esto a materiales no transparentes mediante un método sólido/sólido basado en el desvanecimiento de un colorante aplicado; la ISO 10676 describe el rendimiento de purificación fotocatalítica del agua mediante la formación de oxígeno activo; la DIN EN 17120 define un método de ensayo para el rendimiento de purificación del agua de materiales fotocatalíticos en forma de polvo mediante la degradación de fenol en suspensión. Todas estas normas exigen una irradiancia documentada, generalmente específica para UV-A, en la superficie de la muestra, y no una potencia nominal de la lámpara. Puede encontrarse una visión más amplia de las normas de ensayo UV en directrices, normas y estándares en UV.

Se requiere una medición espectral al caracterizar por primera vez una fuente de ensayo, al comparar materiales activos con UV frente a materiales activos con luz visible, al utilizar un simulador solar, o cuando se emplea actinometría para determinar el flujo de fotones absoluto; una medición de banda ancha es suficiente para el control continuo de una configuración ya caracterizada espectralmente y sin cambios. Las mediciones con resolución espacial se vuelven necesarias para muestras de gran superficie, reactores de estructura tipo panal o sistemas de flujo con un perfil de flujo no uniforme, y las mediciones con resolución temporal para el funcionamiento de LED pulsados y siempre que el envejecimiento de la lámpara o la suciedad de las ventanas se vuelvan significativos en el transcurso de un ensayo.

Para aplicaciones industriales -purificadores de aire fotocatalíticos en producción en serie, líneas de recubrimiento para superficies autolimpiantes o plantas de tratamiento de aguas continuo- resulta útil un enfoque de monitorización en tres etapas.

Caracterización de referencia. Un estudio espectral puntual de la fuente de luz en su geometría real del reactor, para determinar el espectro relativo, la uniformidad a lo largo del área iluminada y el factor de conversión entre la ubicación del catalizador y una posición fija del sensor.

Monitorización estacionaria del proceso. Sensores fijos y calibrados en una posición definida informan continuamente de la irradiancia. Sin embargo, sin el factor de conversión de la caracterización de referencia, ese sensor solo describe su propio estado, no las condiciones en el catalizador.

Control y trazabilidad. La irradiancia medida se utiliza para ajustar la potencia de los LED, detectar tendencias de envejecimiento y derivar los intervalos de mantenimiento. Para productos certificados -recubrimientos autolimpiantes con actividad fotocatalítica declarada según la ISO 10678, por ejemplo- el historial de irradiación se documenta junto con la información del lote, ya que el rendimiento fotocatalítico es difícil de verificar a posteriori en el producto terminado.

Caracterizar la fuente requiere un espectrorradiómetro. El SR900 cubre de 200 a 1100 nm y así capta las contribuciones UV y visibles en una sola medición, el rango necesario para catalizadores activos con luz visible y accionados por energía solar. Cuando la fuente, la banda espectral y la configuración se mantienen constantes a lo largo de una serie, un radiómetro de banda ancha como el RMD Pro con un sensor adecuado es suficiente para las comprobaciones rutinarias. Para geometrías recurrentes, un controlador de dosis como el UV-MAT mantiene la muestra con la misma exposición medida independientemente del envejecimiento de la lámpara. Cuando se necesitan condiciones de exposición definidas y protegidas, las cámaras de irradiación proporcionan una geometría fija. Los principales factores que contribuyen a la incertidumbre de medición son el desajuste espectral del sensor frente a la fuente en cuestión, la dispersión y turbidez en el medio de reacción, y la incertidumbre de posicionamiento entre el sensor y la superficie real del catalizador; una calibración trazable -por ejemplo, de un laboratorio de calibración acreditado según ISO/IEC 17025- fija la parte sistemática de esta incertidumbre.

Los siguientes trabajos de usuarios muestran lo diferente que puede ser la condición de contorno óptica en la fotocatálisis: desde un modelo de radiación dentro del reactor hasta una membrana recubierta.

Determina el campo de radiación en un reactor acuoso tanto de forma experimental como mediante un modelo numérico, y compara ambos entre sí.
Comparison of radiant intensity in aqueous media using experimental and numerical simulation techniques
Uppinakudru, Adithya Pai, et al. "Comparison of radiant intensity in aqueous media using experimental and numerical simulation techniques." Open Research Europe 4 (2024).

Deposita TiO2 como película ultrafina sobre membranas porosas mediante deposición de capas atómicas, un ejemplo del enfoque inmovilizado.
Immobilization of Titanium Dioxide Ultrathin Films onto Porous Membranes via Atomic Layer Deposition for Photodegradation of Water-Borne Pollutants
Maloda, Elisante M., et al. "Immobilization of Titanium Dioxide Ultrathin Films onto Porous Membranes via Atomic Layer Deposition for Photodegradation of Water-Borne Pollutants." ChemPhotoChem 10.3 (2026).

Combina g-C3N4 poroso con dopaje de carbono y examina el tratamiento de aguas y la disociación del agua en el mismo material.
Porous g-C3N4 with simultaneous carbon doping for photocatalytic water treatment and splitting
Sarifuddin, Wahid Sidik, et al. "Porous g-C3N4 with simultaneous carbon doping for photocatalytic water treatment and splitting." Next Materials 13 (2026): 102675.

Compara la degradación de colorantes bajo irradiación UV y bajo irradiación de tipo solar en una heterounión ZnO-Ag.
UV and solar-driven photocatalysis of organic dyes using ZnO-Ag heterojunction nanoparticles synthesized by one-step laser synthesis in water
Radičić, Rafaela, et al. "UV and solar-driven photocatalysis of organic dyes using ZnO-Ag heterojunction nanoparticles synthesized by one-step laser synthesis in water." Applied Surface Science (2024): 160498.

Degrada una hormona en un reactor de membrana de funcionamiento continuo y estudia la cinética y la reutilización.
Titanium dioxide and halloysite loaded polylactic acid-based membrane continuous flow photoreactor for 17α-ethinylestradiol (EE2) hormone degradation
Ali, Hassan, et al. "Titanium dioxide and halloysite loaded polylactic acid-based membrane continuous flow photoreactor for 17α-ethinylestradiol (EE2) hormone degradation: Optimization, kinetics, mechanism, and reusability study." Catalysis Today 432 (2024): 114602.

Muestra cómo los parámetros de deposición modifican el comportamiento autolimpiante de las películas de TiO2 amorfo.
Effect of sputtering parameters on the self-cleaning properties of amorphous titanium dioxide thin films
Sabbah, Hussein. "Effect of sputtering parameters on the self-cleaning properties of amorphous titanium dioxide thin films." Journal of Coatings Technology and Research 14 (2017): 1423-1433.

Otros trabajos del campo temático de la fotocatálisis, 25 artículos en la actualidad, se recopilan en publicaciones de clientes por tema.

• Fujishima, A.; Honda, K.: Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. Nature 238, 37–38 (1972). DOI 10.1038/238037a0 – el artículo fundacional de la fotocatálisis heterogénea en electrodos semiconductores.
• Fujishima, A.; Zhang, X.; Tryk, D. A.: TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surface Science Reports 63(12), 515–582 (2008). DOI 10.1016/j.surfrep.2008.10.001 – una revisión de referencia sobre el mecanismo, los materiales y las aplicaciones de la fotocatálisis con TiO2.
• Hoffmann, M. R.; Martin, S. T.; Choi, W.; Bahnemann, D. W.: Environmental Applications of Semiconductor Photocatalysis. Chemical Reviews 95(1), 69–96 (1995). DOI 10.1021/cr00033a004 – una revisión fundamental de las aplicaciones medioambientales y los mecanismos de reacción.
• Braslavsky, S. E. et al.: Glossary of terms used in photocatalysis and radiation catalysis (IUPAC Recommendations 2011). Pure and Applied Chemistry 83(4), 931–1014 (2011). DOI 10.1351/PAC-REC-09-09-36 – definiciones normativas del rendimiento cuántico, la eficiencia fotónica y el flujo de fotones.
• ISO 22197 (serie), ISO 10678:2010, ISO 10676:2010, EN 16845-1:2017, DIN EN 17120 – normas de ensayo internacionales y europeas para el rendimiento de la purificación fotocatalítica del aire, la autolimpieza y la purificación del agua, además de la norma DIN EN ISO/IEC 17025:2018-03 para la calibración trazable de los sensores de radiación empleados.
• Mordor Intelligence, Photocatalyst Market (2026); Persistence Market Research, Photocatalysts Market (2026); Databridge Market Research, Self-Cleaning Coating Market (2025) – indicadores de mercado con alcances de mercado documentados, y diferentes entre sí.

¿Cómo funciona la fotocatálisis?
Un semiconductor como el dióxido de titanio absorbe fotones con una energía superior a su banda prohibida y forma pares electrón-hueco. Si estos migran a la superficie antes de recombinarse, desencadenan reacciones redox que generan especies reactivas del oxígeno, como los radicales hidroxilo. Estas descomponen contaminantes orgánicos, microorganismos o componentes disueltos del agua, sin que el catalizador se consuma.

¿Qué longitud de onda es adecuada para la fotocatálisis con TiO2?
El TiO2 en fase anatasa tiene una banda prohibida de aproximadamente 3,2 eV, lo que corresponde a una longitud de onda umbral de alrededor de 387 nm; el rutilo se sitúa en torno a 3,0 eV, alrededor de 410 a 413 nm. El material comercial de fase mixta se excita, por tanto, típicamente en el rango UV-A, entre 365 y 390 nm. Los materiales activos con luz visible, dopados o con heteroestructuras, aprovechan además longitudes de onda más largas que llegan hasta el rango visible.

¿Cuál es la diferencia entre rendimiento cuántico y eficiencia fotónica?
El rendimiento cuántico se refiere al número de fotones absorbidos, y el rendimiento cuántico aparente al número de fotones incidentes. La eficiencia fotónica es una cifra relativa, comparable únicamente en condiciones experimentales idénticas, y no representa un rendimiento cuántico absoluto. Ninguna de las tres es una constante de material pura: todas dependen de la geometría del reactor y de la irradiancia.

¿Por qué la potencia de la lámpara no basta como variable de proceso?
La potencia eléctrica no dice nada sobre qué fracción espectral se encuentra por encima de la energía de la banda prohibida ni cuánta de esa fracción llega realmente al catalizador. Solo la irradiancia espectral en el punto de reacción y el flujo de fotones derivado de ella permiten hacer una afirmación fiable sobre la velocidad de reacción esperable. La deducción general —desde la potencia eléctrica, pasando por la eficiencia electroóptica, hasta la magnitud medida en el punto de acción— se explica en magnitudes radiométricas.

¿Cómo se mide la actividad fotocatalítica según norma?
Para la purificación del aire, la serie ISO 22197 regula la descomposición de contaminantes modelo definidos bajo irradiación UV-A continua. Para superficies autolimpiantes, la norma ISO 10678 establece la degradación del azul de metileno en agua, y la EN 16845-1 el desvanecimiento de un colorante de ensayo sobre materiales no transparentes. Para el tratamiento de aguas se aplican la ISO 10676 y la DIN EN 17120. Todos estos métodos requieren una irradiancia documentada en la superficie de la muestra.

¿Qué fotocatalizadores funcionan con luz visible?
El TiO2 y el ZnO puros necesitan excitación UV. El TiO2 dopado con nitrógeno o carbono, el nitruro de carbono (g-C3N4) y varios sistemas de heterounión o de esquema Z desplazan la absorción utilizable hacia el rango visible, aunque generalmente con un rendimiento cuántico menor que el de los materiales de referencia puramente activos en UV.

¿Por qué los rendimientos cuánticos publicados a menudo no son directamente comparables?
Porque el rendimiento cuántico aparente depende del flujo de fotones, de la geometría del reactor, de la carga de catalizador y, debido a la validez limitada de la ley de reciprocidad, de la propia irradiancia. Dos estudios que utilicen el mismo material pero un método diferente para determinar el flujo de fotones incidente pueden arrojar valores marcadamente distintos.

¿Cuándo se necesita una medición espectral en lugar de una de banda ancha?
Al caracterizar por primera vez una fuente de ensayo o de producción, al comparar materiales activos en UV con materiales activos con luz visible, al utilizar un simulador solar, o cuando se desea calcular un rendimiento cuántico. Para el control continuo de un montaje ya conocido espectralmente y sin cambios, basta una medición de banda ancha calibrada.

La fotocatálisis linda técnicamente con varios otros campos de aplicación – por ejemplo, la tecnología del agua y del medio ambiente (principios de reactor compartidos y degradación de contaminantes), la producción fotocatalítica de hidrógeno (la misma física de semiconductores, una reacción objetivo distinta), la desinfección UV (mecanismos UV-C y fotocatalíticos parcialmente combinados) y la fotobiología y biotecnología (requisitos comparables en cuanto a espectros de acción y rendimientos cuánticos). Los fundamentos compartidos – flujo de fotones, rendimiento cuántico y actinometría química – se recogen en fotoquímica. El panorama completo se encuentra en la vista general de aplicaciones UV.

¿No está seguro de qué flujo de fotones alcanza realmente la superficie del catalizador en su propio reactor o geometría de ensayo, o de si un rendimiento cuántico indicado es siquiera comparable con su propia configuración? Un análisis espectral de la fuente de luz en la geometría del proceso con el SR900, junto con una calibración trazable de los sensores utilizados, aclara qué parte de la radiación contribuye realmente a la reacción. Póngase en contacto con nosotros sobre su tarea de ensayo o proceso.