Clevere Beschichtung verwandelt Lampenschirme in Luftreiniger für Innenräume
Die Luftverschmutzung in Innenräumen hat vielleicht ein Gegenmittel gefunden. Heute werden Wissenschaftler berichten, dass sie mit Katalysatoren beschichtete Lampenschirme entwickelt haben, die Schadstoffe in der Innenraumluft in unschädliche Verbindungen umwandeln. Die Lampenschirme funktionieren mit Halogen- und Glühbirnen, und das Team erweitert die Technologie, damit sie auch mit LEDs kompatibel ist.
Ein mit einem Katalysator beschichteter Lampenschirm nutzt die Wärme einer Glühbirne, um die Luftverschmutzung in Innenräumen zu beseitigen.
Minhyung Lee
Die Forscher werden ihre Ergebnisse auf der Herbsttagung der American Chemical Society (ACS) vorstellen. Die ACS Fall 2023 ist eine hybride Tagung, die vom 13. bis 17. August sowohl virtuell als auch persönlich stattfindet und rund 12 000 Präsentationen zu einer breiten Palette wissenschaftlicher Themen umfasst.
Die Lampenschirme zielen auf flüchtige organische Verbindungen (VOCs) ab, die laut Hyoung-il Kim, Ph.D., dem Leiter des Projekts, die meisten Luftschadstoffe in Innenräumen ausmachen. Zu diesen Verbindungen gehören Acetaldehyd und Formaldehyd, die durch Farben, Reinigungsmittel, Lufterfrischer, Kunststoffe, Möbel, Kochen und andere Quellen freigesetzt werden.
"Obwohl die VOC-Konzentration in einer Wohnung oder einem Büro gering ist, verbringen die Menschen mehr als 90 % ihrer Zeit in Innenräumen, so dass sich die Belastung im Laufe der Zeit summiert", sagt Kim.
"Herkömmliche Methoden zur Entfernung von VOCs aus der Innenraumluft beruhen auf Aktivkohle oder anderen Filtertypen, die regelmäßig ausgetauscht werden müssen", sagt Minhyung Lee, Doktorand in Kims Labor an der Yonsei University. Lee wird die Arbeit des Teams auf der ACS-Tagung vorstellen. Es wurden bereits andere Geräte entwickelt, die VOCs mit Hilfe von Thermokatalysatoren, die durch hohe Temperaturen aktiviert werden, oder mit Photokatalysatoren, die auf Licht reagieren, abbauen. Kim stellt jedoch fest, dass die meisten dieser Geräte eine separate Heizung oder eine UV-Lichtquelle benötigen, die unerwünschte Nebenprodukte erzeugen können. Sein Team wollte einen einfacheren Ansatz wählen, der nur eine sichtbare Lichtquelle, die auch Wärme erzeugt - wie eine Halogen- oder Glühlampe - und einen mit einem Thermokatalysator beschichteten Lampenschirm erfordert.
Laut Lee wandeln Halogenbirnen nur 10 % der von ihnen verbrauchten Energie in Licht um, die anderen 90 % werden in Wärme umgewandelt. Glühbirnen sind sogar noch schlechter: Sie geben 5 % Licht und 95 % Wärme ab. "Diese Wärme wird normalerweise verschwendet", sagt Kim, aber wir haben beschlossen, sie zu nutzen, um einen Thermokatalysator zu aktivieren, der VOCs abbaut.
In einer im letzten Herbst veröffentlichten Arbeit berichtete das Team, dass es Thermokatalysatoren aus Titandioxid und einer kleinen Menge Platin synthetisiert hat. Die Forscher beschichteten die Innenseite eines Aluminiumlampenschirms mit dem Katalysator und platzierten den Schirm über einer 100-Watt-Halogenlampe in einer Testkammer mit Luft und Acetaldehydgas. Wenn die Lampe eingeschaltet wurde, erhitzte sich der Schirm auf Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius - warm genug, um die Katalysatoren zu aktivieren und Acetaldehyd zu zersetzen. Während dieses Oxidationsprozesses wurde die flüchtige organische Verbindung zunächst in Essigsäure, dann in Ameisensäure und schließlich in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Beide Säuren sind mild, und die Menge des freigesetzten Kohlendioxids ist unbedenklich, stellt Kim fest. Die Forscher fanden auch heraus, dass Formaldehyd unter den gleichen Bedingungen abgebaut werden kann und dass die Technik auch mit Glühbirnen funktioniert.
"Dies war die erste Demonstration zur Nutzung der Abwärme von Lampen", sagt Kim. Die meisten früheren Forschungsprojekte und sogar einige auf dem Markt befindliche Lampen haben sich stattdessen auf lichtaktivierte Photokatalysatoren verlassen, um die Luftverschmutzung in Innenräumen zu zerstören.
In ihrer jüngsten Arbeit wendet sich Kims Gruppe kostengünstigeren Ersatzstoffen für Platin zu. Das Team hat bereits gezeigt, dass diese neuen Katalysatoren auf Eisen- oder Kupferbasis VOCs abbauen können. Darüber hinaus ist Kupfer ein Desinfektionsmittel, so dass Kim davon ausgeht, dass der Kupferkatalysator Mikroorganismen in der Luft abtöten könnte.
Die Wissenschaftler suchen nun nach Möglichkeiten, das Konzept der umweltschädlichen Lampenschirme auf LEDs auszuweiten, ein schnell wachsendes Segment des Beleuchtungsmarktes. Anders als Halogen- und Glühbirnen geben LEDs jedoch zu wenig Wärme ab, um Thermokatalysatoren zu aktivieren. Kims Team entwickelt daher Photokatalysatoren, die durch das von LEDs emittierte Nah-UV-Licht stimuliert werden, sowie andere Katalysatoren, die einen Teil des sichtbaren Lichts der LEDs in Wärme umwandeln. "Unser ultimatives Ziel ist es, einen Hybridkatalysator zu entwickeln, der das gesamte von Lichtquellen erzeugte Spektrum nutzen kann, einschließlich UV- und sichtbares Licht sowie Abwärme", sagt Kim.
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