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Photokatalytische Luft-und Wasserreinigung

AK Bahnemann

Die Verschmutzung von Luft und Wasser ist ein ernstzunehmendes Problem, dem sich unsere Gesellschaft stellen muss. Die Photokatalyse gilt als sehr effizientes Verfahren, um im Innen- und Außenbereich umweltgefährdende und giftige Schadstoffe in der Umwelt abzubauen. Daher konzentrieren sich zurzeit die Forschungsaktivitäten im Bereich Photochemie auf die Photokatalyse.
Dieses zu den Advanced Oxidation Processes (Moderne Oxidationsverfahren, AOPs) zählende Verfahren gewinnt zunehmend an Bedeutung, um toxische oder biologisch schwer abbaubare organische Wasser- und Luftinhaltsstoffe mit Hilfe von Hydroxylradikalen zu mineralisieren. Hierbei werden alle organischen Schadstoffmoleküle in Gegenwart von Luftsauerstoff vollständig oxidiert, d.h., es findet eine Verbrennungsreaktion unter Bildung von Kohlendioxid, Wasser und ggf. weiteren mineralischen, ungiftigen Produkten statt. Im Fall der Photokatalyse werden durch Bestrahlung des Katalysators Titandioxid sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu den erwähnten reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt. Da Titandioxid ein Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von 3,2 eV ist, kann Licht im Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und ca. 400 nm diese photochemischen Reaktionen initiieren, d.h., dass neben künstlichen Lichtquellen auch die UV-A-Strahlung der Sonne (300 - 400 nm) wirkungsvoll genutzt werden kann. Man nennt diese spezielle Form der Photokatalyse "solarkatalytische Wasser- bzw. Luftreinigung". Um die photokatalytische Aktivität verschiedener Katalysatoren beurteilen zu können, werden beispielsweise solche Modell-Luftschadstoffe wie Formaldehyd, Acetaldehyd oder Stickstoffoxide in unseren Laboratorien eingesetzt.

Photokatalytische Wasserspaltung

AK Bahnemann

Die photoinduzierte Spaltung von Wasser bietet die Möglichkeit, mit Hilfe von Sonnenlicht direkt den Energieträger Wasserstoff zu erzeugen. Wasserstoff ist mit einem Energiegehalt von 33,3 kWh/kg einer der speicherfähigsten Energieträger, welcher eine Alternative zu fossilen Energiequellen bietet, da er regenerativ aus Wasser gewonnen werden kann. Somit hat Wasserstoff das Potential unsere Energieversorgung grundlegend zu verändern und die Energieversorgungsprobleme langfristig zu lösen.
Um Wasser in die Elemente zu spalten, ist es erforderlich, dass das Leitungsbandpotential des Halbleiters negativer als das Reduktionspotential der Protonen zu molekularem Wasserstoff (0 V vs. NHE bei pH 0) und das Valenzbandpotential des Halbleiters positiver als das Oxidationspotential von Wasser zu molekularem Sauerstoff (+1,23 V vs. NHE bei pH 0) ist. Qualitative und quantitative Analyse der Produktbildung, d.h., molekularer Wasserstoff und molekularer Sauerstoff erfolgt in unseren Laboratorien massenspektrometrisch und wird überwiegend in wässrigen Halbleiter-Suspensionen untersucht. Um ein tieferes Verständnis der der Wasserspaltung zugrunde liegenden Mechanismen zu gewinnen, werden auch Untersuchungen mit deuterierten Wasser (D2O) durchgeführt.
Die im Arbeitskreis verfügbaren elektrochemischen Aufbauten werden genutzt, um die Spaltung von Wasser auch photoelektrochemisch an Photoelektroden näher zu untersuchen. Die für die Photoanoden und die Photokathoden eingesetzten Materialien werden hinsichtlich der Lage ihrer Energiebänder (mittels Impedanzanalyse), des für die Wasserstoff- bzw. Sauerstoffentwicklung notwendigen Potentials und der Quantenausbeute dieser Reaktionen untersucht.

Kinetik schneller photokatalytischer Prozesse

AK Bahnemann

Neben diesen sehr anwendungsnahen Themen ist die Untersuchung der physikalisch-chemischen Grundlagen der Photokatalyse eine zentrale Aufgabe der Arbeitsgruppe. Diese Untersuchungen werden an einer Laser-Blitz-Photolyse-Apparatur durchgeführt. Hierbei wird der Photokatalysator mit dem im Nanosekundenbereich gepulsten Laser angeregt und die Absorption der dabei gebildeten aktiven Spezies beobachtet. Die Lebensdauer dieser aktiven Spezies variiert abhängig von der Art des Photokatalysators und bestimmt dessen photokatalytische Aktivität. Deswegen sind die daraus gewonnenen Erkenntnisse entscheidend für die Entwicklung neuer Halbleitermaterialien. Zudem ermöglichen die zeitaufgelösten Messungen in Gegenwart verschiedener Oxidations- und Reduktionsmittel die Aufklärung des Reaktionsmechanismus photokatalytischer Prozesse. Zusätzlich dient hier die in der Arbeitsgruppe vorhandene ESR-Apparatur (Elektronenspinresonanz-Spektroskopie) vor allem für die qualitative und quantitative Analyse der Reaktionszwischen- und endprodukte dazu, den Mechanismus der Photokatalyse verstehen zu lernen.

Farbstoffsolarzellen

AK Bahnemann

Farbstoffsolarzellen sind neuartige, organisch-anorganische Hybridsolarzellen, die seit etwa 25 Jahren intensiv erforscht werden. Im Gegensatz zu konventionellen Solarzellen, nutzen diese nicht schwarzes Silizium zur Lichtadsorption, sondern einen auf einer nanopartikulären Titandioxidschicht adsorbierten organischen Farbstoff. Hierdurch bietet diese Technologie nicht nur den Vorteil relativ geringer Herstellungskosten, sondern sie bringt bedingt durch ihre Farbigkeit auch viele architektonische Gestaltungsmöglichkeiten mit sich.
Die am Institut für Technische Chemie zu diesem Thema durchgeführten Entwicklungsarbeiten beschäftigen sich im Wesentlichen mit der Synthese nanoskaliger Titandioxidmaterialien, sowie der Konstruktion und photoelektrochemischen Charakterisierung von kommerziellen DSSC-Komponenten in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie.