Photokatalyse

Prinzipien der Photokatalyse an Titandioxid


Titandioxid ist ein Halbleiter. Dies bedeutet, dass das mit Elektronen gefüllte Valenzband durch eine Bandlücke von dem Leitungsband getrennt ist. Durch Absorption von Lichtquanten mit einer Energie, die grösser ist als die für die Überwindung der Bandlücke notwendige Energie, werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt; es bilden sich Elektron-Loch-Paare. Im Falle des Titandioxids ist die Anregung nur mit ultraviolettem Licht möglich. Die Elektron-Loch-Paare rekombinieren im Halbleiter innerhalb von wenigen Nanosekunden oder sie wandern an die Oberfläche des Materials und reagieren dort mittels Elektronentransfer mit redoxaktiven Stoffen (Elektronenakzeptoren und ?donatoren), die sich nahe dieser Oberfläche aufhalten. Solche Redoxreaktionen, die im Falle des Titandioxids auch durch den UV-Anteil im Sonnenlicht eingeleitet werden, können für die chemisch-oxidative Reinigung der Umwelt von Schadstoffen genutzt werden. Die nachfolgende Abbildung  zeigt eine einfache schematische Darstellung dieser Prozesse.



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Abbildung: Heterogene Photokatalyse an Titandioxid-Nanoteilchen: Photokatalytische Mineralisation von organischen Schadstoffen.


Titandioxid gilt derzeit als der vielversprechendste heterogene Photokatalysator, da es ungiftig, langzeitstabil, sowie als Massenchemikalie preiswert in großen Mengen verfügbar ist. Es wird daher allgemein erwartet, dass Titandioxid eine bedeutende Rolle bei der Lösung von Problemen im Energie- und Umweltsektor durch die effiziente Nutzung des Sonnenlichts in technischen Systemen spielen wird.
Obwohl schon vor vielen Jahren der Nachweis der Eignung von Titandioxid als Katalysator für die photokatalytische Erzeugung von Wasserstoff aus organisch belastetem Wasser geführt wurde, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen notwendig. Dabei ist es eine der noch ungelösten wissenschaftlichen Herausforderungen, Titandioxid dahingehend zu modifizieren, dass es nicht nur durch ultraviolettes, sondern auch durch sichtbares Licht angeregt wird.
Die Entwicklung von photokatalytisch aktiven und zugleich durch sichtbares Licht anregbaren Farben, Keramiken, Ziegeln, Pflastersteinen und anderen Bauprodukten ist das Ziel des BMBF-Projektes ?HelioClean?. Diese Titandioxid-haltigen Produkte zerstören unter Einwirkung des Sonnenlichts in städtischen Räumen Stickoxide und andere Umweltschadstoffe, die von Industrie und Verkehr an die Luft abgegeben werden, und tragen so zu einer Verbesserung der Lebensbedingungen in städtischen Ballungsgebieten bei. Die Vision der sich selbstreinigenden Stadt könnte also schon bald Wirklichkeit werden.