Was ist ein Photokatalysator?
Ein Photokatalysator ist eine Substanz, die Lichtenergie nutzt, um chemische Reaktionen zu fördern.
Die Photokatalyse wurde in Japan entwickelt, wo Akira Fujishima, ein Doktorand an der Universität Tokio, 1967 entdeckte, dass bei der Einstrahlung von Licht auf eine Titandioxidelektrode in Wasser Blasen entstanden. Titandioxid (TiO2) mit Anatas-Kristallstruktur ist der am weitesten verbreitete Photokatalysator, aber als er entwickelt wurde, funktionierte er nur mit kurzwelligem UV-Licht.
Infolge nationaler und unternehmerischer Bemühungen sind nach und nach hocheffiziente Photokatalysatoren auf den Markt gekommen, die auch bei sichtbarem Licht funktionieren, auch weil es sich um eine rein einheimische Technologie handelt, die einen breiten Anwendungsmarkt hat.
Anwendungen der Photokatalysatoren
Photokatalysatoren können organische Schadstoffe zersetzen, sofern sie über Lichtenergie verfügen. Aufgrund ihrer superhydrophilen Eigenschaften können sie in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, indem sie ihre Eigenschaften nutzen.
1. Bewuchsschutz und Selbstreinigung
Es gibt zahlreiche Beispiele für praktische Anwendungen als Beschichtungen für Baumaterialien wie Fliesen und Glas. In Außenbereichen, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, können sie auf Gebäudeaußenwänden, Fensterglas, Verkehrsschildern, Hinweisschildern usw. verwendet werden, um einen Selbstreinigungseffekt sowie eine desinfizierende, antibakterielle und beschlaghemmende Wirkung zu erzielen.
2. Entfernung von toxischen Substanzen aus der Luft
In Innenräumen werden sie in Kombination mit ultravioletten Lampen in Luftreinigern, Desodorierern und Filtern von Klimaanlagen eingesetzt. Darüber hinaus können Photokatalysatoren, die auf sichtbares Licht reagieren, an Innenwänden und Türen von Häusern eingesetzt werden, um antibakteriell zu wirken, Gerüche zu bekämpfen und das Sick-Building-Syndrom zu verhindern.
3. Weitere Anwendungen
Einschließlich der in der Forschung und Entwicklung befindlichen Photokatalysatoren werden sie auch zur Reinigung von Trinkwasser, Wasserspeichern, der Atmosphäre und von Seen, zur Abwasserbehandlung, zur Dekontaminierung von Böden und zur künstlichen Photosynthese (Wasserzersetzung zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff) eingesetzt.
Funktionsweise der Photokatalysatoren
Photokatalysatoren, die ultravioletter Strahlung ausgesetzt sind, haben eine oxidierende Wirkung, die organische Stoffe oxidiert und zersetzt und eine superhydrophile Eigenschaft, die Wasser überhaupt nicht abstößt. Über den Mechanismus, mit dem die Photokatalysatoren diese Funktionen erfüllen und insbesondere über den Mechanismus der Bildung der weiter unten beschriebenen Hydroxylradikale sind sich die Forscher nicht einig. Daher fassen wir hier die Erklärungen zusammen, die allgemein anerkannt sind:
1. Erzeugung einer reaktiven Sauerstoffspezies
Wenn einem Photokatalysator Lichtenergie zugeführt wird, geht das Innere des Kristalls in einen hochenergetischen Zustand über, und die Elektronen auf der Kristalloberfläche werden vorübergehend aus der Kristallstruktur herausgelöst. Diese Elektronen sind negativ geladen und die Löcher, aus denen die Elektronen ausgetreten sind, sind positiv geladen; beide sind sehr instabil und reaktiv.
So verbinden sich die Elektronen mit dem Luftsauerstoff und bilden O2- (Superoxid-Ion), während die Löcher dem Wasser, das die Katalysatoroberfläche berührt, Elektronen entziehen und -OH (Hydroxylradikal) bilden.
2. Oxidierende Wirkung
Sowohl O2- als auch -OH sind als reaktive Sauerstoffspezies bekannt und reagieren mit organischen Substanzen, die mit der Katalysatoroberfläche in Berührung kommen, um sie zu oxidieren und zu zersetzen. Dabei fördert der Photokatalysator die Oxidationsreaktion, indem er Sauerstoff und Wasser in aktiven Sauerstoff umwandelt, nimmt aber nicht an der Reaktion teil und verbraucht sich nicht. Der Photokatalysator ist also semi-permanent wirksam.
3. Bewuchsschutz-Effekt durch superhydrophile Eigenschaften
Es wird angenommen, dass der aktive Sauerstoff die feinen hydrophoben organischen Stoffe, die an der Oberfläche des Photokatalysators adsorbiert sind, zersetzt, während gleichzeitig die Oberfläche des Katalysators mit Hydroxylgruppen (-OH) bedeckt wird, was zu dem superhydrophilen Effekt führt. Darüber hinaus dringt ein Wasserfilm zwischen das Titandioxid und den Schmutz ein, was die Entfernung großer Flecken erleichtert.
Arten von Photokatalysatoren
Die heute am häufigsten verwendeten Photokatalysatoren basieren auf Titandioxid oder Wolframtrioxid. Titandioxid wird in vielen Photokatalysatoren verwendet, weil es physikalisch und chemisch stabil und relativ preiswert ist, hatte aber anfangs Probleme, da es nur ultraviolette Energie nutzen konnte.
Um dieses Problem zu lösen, wurden Photokatalysatoren aus Wolframtrioxid entwickelt. Derzeit sind eine Reihe von Produkten auf dem Markt, die einzigartige Innovationen für beides bieten.
1. Auf sichtbares Licht reagierende Photokatalysatoren
Was den Energieanteil des Sonnenlichts betrifft, so beträgt der Anteil des ultravioletten Lichts nur etwa 3 % und der des sichtbaren Lichts etwa 50 %. Photokatalysatoren, die auf sichtbares Licht reagieren, wurden entwickelt, um die enorme Energiemenge des sichtbaren Lichts zu nutzen.
Inzwischen sind verschiedene Arten von Photokatalysatoren auf dem Markt, die auf sichtbares Licht reagieren, darunter solche mit Spuren von Stickstoff oder Metallen, die in die Kristallstruktur von Titandioxid oder Wolframtrioxid eingemischt sind und solche, bei denen Metalle oder Metalloxide an die Oberfläche gebunden sind.
2. Schutz gegen Beschädigung von Photokatalysatoren durch Kontakt
Je höher die photokatalytische Leistung ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sie in direktem Kontakt mit Materialien verwendet wird, die für oxidativen Abbau anfällig sind, wie z. B. organische Fasern. Um dieses Problem zu lösen, wurden Photokatalysatoren, die mit Apatit kombiniert sind, so dass das Titandioxid nicht in direkten Kontakt mit dem Material kommt und Bindemittel, die die Oberfläche des organischen Grundmaterials bedecken, um einen direkten Kontakt mit dem Photokatalysator zu verhindern, auf den Markt gebracht.