Dwutlenek tytanu (TiO2) to związek występujący w przyrodzie, który już w starożytności wykorzystywany był jako biały pigment (biel tytanowa). TiO2 jest dziś dobrze znany w środowisku naukowym głównie ze względu na wykazywaną aktywność fotokatalityczną – czyli zdolność do przyspieszania reakcji chemicznych poprzez pochłanianie światła. W procesie tym energia światła słonecznego może być wykorzystana do zainicjowania reakcji chemicznych, np. rozszczepienia wody na tlen i wodór, przekształcenia zanieczyszczenia dwutlenkiem węgla w paliwo syntetyczne lub rozkładu toksycznych związków w powietrzu, wodzie i glebie. Dwutlenek tytanu ze względu na swoje unikatowe właściwości może za pomocą fotokatalizy rozkładać zanieczyszczenia wody i powietrza atmosferycznego.
W badaniach przeprowadzonych na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji wykazano, że tlenek tytanu jako półprzewodnik w procesie fotokatalizy może być używany do oczyszczania spalin ze związków siarki (głównie SO2).
Największym źródłem emisji SO2 do atmosfery jest spalanie paliw kopalnych przez elektrownie i inne zakłady przemysłowe. Mniej istotnymi źródłami emisji SO2 są procesy przemysłowe takie jak obróbka rud metali, spalanie paliw zawierających siarkę przez statki, maszyny budowlane i inne pojazdy oraz ze źródeł naturalnych, np. wulkany.
Szwedzcy naukowcy zbadali właściwości powierzchniowe TiO2 i jego interakcję z dwutlenkiem siarki (SO2). Monokrystaliczny rutylowy TiO2 (110) został użyty jako powierzchnia modelowa do badania podstawowych interakcji powierzchniowych z SO2 za pomocą spektroskopii refleksyjno-absorpcyjnej w podczerwieni (IRRAS). Jest to technika, za pomocą której można zmierzyć rodzaj substancji zaadsorbowanych na powierzchni, a także jej strukturę adsorbatu. Osiąga się to poprzez odbijanie liniowo spolaryzowanego światła podczerwonego od powierzchni pod różnymi kątami azymutu i porównywanie intensywności sygnału po adsorpcji. Cząsteczki wtedy różnie łączą się ze światłem odbitym w zależności od kąta padania azymutu i typu zastosowanej polaryzacji. Technika IRRAS dostarcza unikalnych informacji o składzie chemicznym, sile wiązania i orientacji cząsteczek na powierzchniach.
Wykorzystano również teorię funkcjonału gęstości (DFT) jako uzupełniające narzędzie analizy w badaniu reakcji fotokatalitycznych. Takie połączenie części eksperymentalnej z częścią teoretyczną umożliwiło szczegółowy opis przebiegu reakcji i dodatkowo pokazało, jak zmienia się podstawowa reaktywność powierzchni TiO2 pod wpływem absorpcji światła.
Połączenie teorii i wyników badań umożliwiło unikalne odwzorowanie interakcji między SO2 a pojedynczym krystalicznym rutylem TiO2(110) w środowisku ultrawysokiej próżni. Dzięki tym wynikom ponownie można było przeanalizować dane.
Dwutlenek siarki (SO2) najpierw tworzył podobne do siarczynu formy powierzchniowe, a następnie reagował z wolnymi atomami tlenu i wodą, tworząc powierzchniowo związane formy siarczanowe. Cząsteczki te ze względu na swoje właściwości kwasowe zwiększają aktywność fotokatalityczną, jak również wywołują właściwości hydrofilowe (wodolubne).
W swoich wcześniejszych badaniach szwedzcy naukowcy wykazali, że formy powierzchniowe powstają po naświetleniu światłem ultrafioletowym tlenu atmosferycznego w podwyższonej temperaturze. Ostatnie ich odkrycia sugerują natomiast, że mogą one również powstawać w obecności wody na powierzchni zawierającej niedobory tlenu.
