14.04.2011

Effizienten Photokatalysatoren auf der Spur

Untersuchungen an Titandioxid geben Aufschluss über dessen elektronische Struktur und Anregungen.

Untersuchungen an Titandioxid geben Aufschluss über dessen elektronische Struktur und Anregungen.

Eine interessante Variante der Solarenergienutzung ist die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie, beispielsweise die Erzeugung von Wasserstoff durch Spaltung von Wasser. Der momentan effizienteste Prozess ist die Titanoxid-basierte Photokatalyse. Für diesen fehlt jedoch noch immer eine befriedigende Beschreibung der zugrunde liegenden physikalischen und chemischen Mechanismen. Wissenschaftlern des KIT-Instituts für funktionelle Grenzflächen (IFG) gelang nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universitäten St. Andrews und Bochum sowie des Helmholtz-Forschungszentrums Berlin, neue Erkenntnisse zu diesen fundamentalen Mechanismen zu gewinnen.

Abb.: Titandioxid kann Licht in chemische Energie umwandeln. Dabei ist die Modifikation Anatase (rechts) dieses Oxids deutlich effizienter als Rutil (links). (Bild: M. Xu, Ruhr-Uni Bochum)

Titandioxid ist ein photoaktives Material und kommt in der Natur in den zwei Modifikationen Rutil und Anatase vor, wobei die Anatase-Form eine zehnfach höhere photochemische Aktivität besitzt. Fällt Licht auf dieses weiße Pulver, das auch als Pigment in der Malerei und als Sonnenschutzmittel eingesetzt wird, werden Elektronen in angeregte Zustände versetzt und können beispielsweise Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff spalten. Titandioxid wird auch zur Herstellung selbstreinigender Oberflächen verwendet. Dabei entfernt einfallendes Sonnenlicht durch photochemische Prozesse unerwünschte Beläge. In Krankenhäusern wird dieser Effekt zur Sterilisierung speziell beschichteter Instrumente durch Bestrahlen mit UV-Licht genutzt.

Die physikalischen Mechanismen dieser photochemischen Reaktionen an Titandioxidoberflächen und insbesondere der Grund für die viel höhere Aktivität von Anatase konnten bislang noch nicht aufgeklärt werden, da die dafür verwendeten Pulverpartikel mit nur wenigen Nanometern winzig klein sind. Solch kleine Partikel sind für die Untersuchung mit leistungsstarken Methoden der Oberflächenanalytik nicht geeignet. Daher haben die Forscher für ihre Messungen millimetergroße Einkristalle verwendet. An derartigen Substraten konnten dann mit Hilfe eines Infrarot-Spektrometers erstmals präzise Messungen zur Photochemie an der Oberfläche von Titandioxid durchgeführt werden.

Außerdem haben die Wissenschaftler mittels einer laser-basierten Technik die Lebensdauer von lichterzeugten elektronischen Anregungen im Inneren von TiO2-Kristallen bestimmt. Anatase ist für die Photochemie besonders gut geeignet, weil die elektronische Struktur dieses Materials eine lange Lebensdauer der Anregungen bewirkt. Die Kenntnis dieser Ursache wird es den Forschern nun erlauben, Form, Größe und Dotierung der in den Photoreaktoren eingesetzten Anatase-Partikel weiter zu optimieren. Ziel ist es, photoaktive Materialien mit höheren Wirkungsgraden und längeren Lebensdauern zu entwickeln.

KIT / KK

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