Schadstoffe mit Sonnenlicht abbauen
Kohlenstoff-dotiertes Titandioxid als effektiver Photokatalysator
Sonnenenergie ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle, die nicht nur zur Erzeugung elektrischer Energie (Solarzellen) angezapft werden kann. Umgewandelt in chemische Energie kann sie beispielsweise genutzt werden, um Schadstoffe abzubauen. Forscher von der Universität Erlangen-Nürnberg haben jetzt einen neuen Halbleiter-Photokatalysator auf Titandioxid-Basis entwickelt, der einen breiteren Anteil des Sonnenlichts nutzen kann und damit effektiver arbeitet als bisherige.
Bei der Halbleiter-Photokatalyse entstehen durch die absorbierte Lichtenergie Ladungsträger an der Oberfläche des Halbleiters - Elektronen oder "Löcher", d.h. Stellen, an denen ein Elektron fehlt und die als positive Ladungsträger betrachtet werden können. Diese gilt es einzufangen und z.B. 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. Titandioxid kann jedoch nur den UV-Anteil des Sonnenlichts nutzen, der gerade einmal zwei bis drei Prozent ausmacht. Horst Kisch und Shanmugasundaram Sakthivel wollten Titandioxid auch für den weitaus größeren, sichtbaren Lichtanteil sensibilisieren. Dazu dotierten sie das Material mit Fremdatomen. Studien mit Stickstoff-dotiertem Titandioxid zeigten erste Erfolge. Das Material wird durch Hydrolyse von Titantetrachlorid mit organischen Stickstoffbasen hergestellt. Abschließend muss auf 400 °C erhitzt werden. Wie die Forscher feststellten, führt zu langes Erhitzen zu einem Titandioxid-Material, das gar keinen Stickstoff enthält, sondern Kohlenstoff - und viel besser ist: Unter künstlichem sichtbaren Licht bauen die Kohlenstoff-dotierten Katalysatoren beispielsweise 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," sagt 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."
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