News: Schadstoffe mit Sonnenlicht abbauen
Der Zufall hatte seine Finger im Spiel: Um die photokatalytischen Eigenschaften von Titandioxid zu verbessern, sollte eigentlich Stickstoff Hilfestellung leisten. Aus Versehen mischte sich aber Kohlenstoff mit ein - und der erwies sich als viel brauchbarer.
Sonnenenergie ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle, die nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie in Solarzellen angezapft werden kann. Umgewandelt in chemische Energie lässt sie sich beispielsweise auch nutzen, um Schadstoffe abzubauen.
Bei der Halbleiter-Photokatalyse entstehen durch die absorbierte Lichtenergie Ladungsträger an der Oberfläche eines Halbleiters – Elektronen oder "Löcher", das heißt, Stellen, an denen ein Elektron fehlt und die als positive Ladungsträger betrachtet werden können. Diese Ladungsträger gilt es einzufangen, um sie für den Elektronentransfer von oder auf Schadstoffmoleküle zu nutzen. Auf diese Weise werden Abbaureaktionen initiiert.
Titandioxid hat sich bereits als Photokatalysator bewährt, etwa in selbstreinigenden Farben. Dabei kann es jedoch nur den UV-Anteil des Sonnenlichts nutzen, der gerade einmal zwei bis drei Prozent ausmacht. Horst Kisch und Shanmugasundaram Sakthivel von der Universität Erlangen-Nürnberg wollten deshalb Titandioxid auch für den weitaus größeren, sichtbaren Lichtanteil sensibilisieren.
Dazu dotierten sie das Material mit Fremdatomen. Erste Erfolge verzeichneten die Forscher mit Stickstoff-dotiertem Titandioxid, das sie aus Titantetrachlorid und organischen Stickstoffbasen hergestellt hatten. Im letzten Schritt erhitzten sie dabei das Material auf 400 Grad Celsius.
Wie die Forscher feststellten, führte jedoch zu langes Erhitzen zu einem Titandioxid-Material, das gar keinen Stickstoff enthielt, sondern Kohlenstoff – und viel besser war: Unter künstlichem sichtbaren Licht bauten die Kohlenstoff-dotierten Katalysatoren beispielsweise die organische Verbindung Chlorphenol fünfmal effektiver ab als die Stickstoff-dotierten Präparate.
Die neue Herstellmethode für Kohlenstoff-dotierte Titandioxide ist einfach, ausgezeichnet reproduzierbar und breiter anwendbar als die klassische Oxidation von Titanblech in der Naturgasflamme. Zudem entsteht dabei ein Titandioxid mit einer anderen Kristallstruktur und damit einem anderen Eigenschaftsspektrum als beim Klassiker.
"Unsere neuen Photokatalysatoren sind leistungsstark," erläutert Kisch, "selbst im diffusen Tageslicht von Innenräumen bauen sie gelöste Schadstoffe wie Chlorphenol und Azofarbstoffe sowie gasförmige Schadstoffe wie Acetaldehyd, Benzol und Kohlenmonoxid problemlos ab."
Bei der Halbleiter-Photokatalyse entstehen durch die absorbierte Lichtenergie Ladungsträger an der Oberfläche eines Halbleiters – Elektronen oder "Löcher", das heißt, Stellen, an denen ein Elektron fehlt und die als positive Ladungsträger betrachtet werden können. Diese Ladungsträger gilt es einzufangen, um sie für den Elektronentransfer von oder auf Schadstoffmoleküle zu nutzen. Auf diese Weise werden Abbaureaktionen initiiert.
Titandioxid hat sich bereits als Photokatalysator bewährt, etwa in selbstreinigenden Farben. Dabei kann es jedoch nur den UV-Anteil des Sonnenlichts nutzen, der gerade einmal zwei bis drei Prozent ausmacht. Horst Kisch und Shanmugasundaram Sakthivel von der Universität Erlangen-Nürnberg wollten deshalb Titandioxid auch für den weitaus größeren, sichtbaren Lichtanteil sensibilisieren.
Dazu dotierten sie das Material mit Fremdatomen. Erste Erfolge verzeichneten die Forscher mit Stickstoff-dotiertem Titandioxid, das sie aus Titantetrachlorid und organischen Stickstoffbasen hergestellt hatten. Im letzten Schritt erhitzten sie dabei das Material auf 400 Grad Celsius.
Wie die Forscher feststellten, führte jedoch zu langes Erhitzen zu einem Titandioxid-Material, das gar keinen Stickstoff enthielt, sondern Kohlenstoff – und viel besser war: Unter künstlichem sichtbaren Licht bauten die Kohlenstoff-dotierten Katalysatoren beispielsweise die organische Verbindung Chlorphenol fünfmal effektiver ab als die Stickstoff-dotierten Präparate.
Die neue Herstellmethode für Kohlenstoff-dotierte Titandioxide ist einfach, ausgezeichnet reproduzierbar und breiter anwendbar als die klassische Oxidation von Titanblech in der Naturgasflamme. Zudem entsteht dabei ein Titandioxid mit einer anderen Kristallstruktur und damit einem anderen Eigenschaftsspektrum als beim Klassiker.
"Unsere neuen Photokatalysatoren sind leistungsstark," erläutert Kisch, "selbst im diffusen Tageslicht von Innenräumen bauen sie gelöste Schadstoffe wie Chlorphenol und Azofarbstoffe sowie gasförmige Schadstoffe wie Acetaldehyd, Benzol und Kohlenmonoxid problemlos ab."
© Angewandte Chemie
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