Projekt „NanoKat“

Entwicklung von Komposit-Katalysatorschichten aus Titandioxid und Kohlenstoff-Quantendots für die Verbesserung der Photokatalyse mit sichtbarem Licht

Die Photokatalyse mit Hilfe von Sonnenlicht oder künstlichem Licht ist eine nahezu ideale Technologie zum Abbau von Schadstoffen in ungiftige oder deutlich weniger schädliche Substanzen bzw. zur Reduktion einer bakteriellen Belastung unter Umgebungsbedingungen. Einer der am besten untersuchten Photokatalysatoren ist der Halbleiter Titandioxid (TiO₂). Der grundlegende Mechanismus für den photokatalytischen Abbau von Schadstoffen hiermit ist die Absorption von UV-A-Strahlung und die Erzeugung einer Ladungstrennung. Die generierten Ladungsträger können nachfolgend Redox-Reaktionen auslösen und ermöglichen die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die schließlich zur Zerstörung der Verunreinigungen führen.

TiO₂ besitzt jedoch wegen seiner großen Bandlücke eine sehr begrenzte Fähigkeit, Sonnenenergie und künstliches sichtbares Licht zu nutzen. Kohlenstoffnanopartikel, so genannte Kohlenstoff-Quanten-Dots („C-Dots“), sind in der Lage Photokatalysatoren wie TiO₂ für sichtbares Licht zu sensibilisieren, indem aus photoangeregten C-Dots Elektronen in das Leitungsband des TiO₂ übertragen werden. Bei den C-Dots handelt es sich um eine vergleichsweise neue Materialklasse, die 2004 entdeckt wurde. Sie bestehen aus Kohlenstoff-Clustern und besitzen eine Partikelgröße von bis zu 10 nm. C-Dots können aus Naturprodukten bzw. nachwachsenden Rohstoffen einfach und kostengünstig hergestellt werden und sind ein Schwerpunkt der aktuellen Materialforschung. Bei geeigneter Synthese besitzen sie außerdem eine Elektronen-Speicherfunktion, so dass in TiO₂/C-Dot – Komposits eine unerwünscht schnelle Rekombination von Ladungsträgern unterbunden wird. Ein weiterer Vorteil hinsichtlich Photokatalyse mit sichtbarem Licht ist, dass C-Dots bei ihrer Synthese häufig in unterschiedlichen Größen gleichzeitig vorkommen. Da die Teilchengröße wesentlich das Absorptionsverhalten bestimmt, können C-Dots einen breiten Spektralbereich vom sichtbaren bis in den NIR-Bereich absorbieren. Sie ermöglichen außerdem eine Verbesserung und Vergrößerung der aktiven Oberfläche des Photokatalysators.

Bei Verwendung von TiO₂/C-Dot – Komposits werden zur Durchführung der Photokatalyse bisher in der Regel Pulver direkt im (Ab-) Wasser dispergiert. Obwohl dieser Vorgang einen vollständigen Kontakt der Katalysatorpartikel mit den Schadstoffen und hohe Abbaueffizienzen ermöglicht, stellt die Rückgewinnung des Katalysatorpulvers ein zusätzliches Problem dar. Es ist sehr schwierig, dieses aus dem behandelten Wasser vollständig wiederzugewinnen, insbesondere da es sich um Nanopartikel handelt. Tatsächlich würde eine unvollständige Wiedergewinnung der Katalysatorteilchen zu einer Sekundärverschmutzung führen. Luft und Oberflächen können mit diesem Ansatz gar nicht sinnvoll behandelt werden.

Um die genannten Nachteile zu überwinden, sollen im Projekt „NanoKat“ TiO₂/C-Dot-Komposits auf geeigneten transparenten Trägern wie Glas und Polymeren immobilisiert werden. Es sollen Strategien entwickelt werden, die zu umweltfreundlichen, preiswerten, wirksamen und wiederverwertbaren Photokatalysatoren führen, die in Form von dünnen Schichten immobilisiert sind. Auf diese Weise werden Anwendungen ermöglicht, bei denen der Katalysator einfach zurückgewonnen werden kann und völlig neue Konzepte, z.B. ein innenbeschichteter Reaktor der von außen bestrahlt wird, sind umsetzbar. Ebenso können Fensterscheiben, Geländer oder sonstige Oberflächen im Außenbereich mit Sonnenlicht photokatalytisch aktiviert werden, was neben der Bildung von Radikalen zur Ausbildung einer Superhydrophilie und zur Absenkung des Wasserkontaktwinkels führt. Bei Kontakt mit Wasser (z.B. Regen oder Tauwasser) bildet sich so ein dünner Wasserfilm auf der Oberfläche und Verunreinigungen werden leicht abgetragen (Easy-to-Clean-Effekt). Bei ausreichender Beleuchtungsstärke sind derartige photokatalytische Anwendungen auch im Innenbereich, etwa zur Reduktion von Keimbelastungen auf Oberflächen oder zur Geruchsbeseitigung, interessant.

Laufzeit des Projektes: 01.10.2022 bis 31.03.2025
Das Projekt wird gefördert durch: