Photokatalyse und Photokatalysatoren

Die Beschleunigung (Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit) einer Photoreaktion durch einen Photokatalysator, welcher während der Reaktion nicht verbraucht wird, nennt man Photokatalyse. Dabei nutzt der Photokatalysator die Energie des Lichtes (UV-VIS). Typische photokatalytische Materialien / Produkte basieren meistens auf Titandioxid. Eine neue Gruppe funktioneller anorganischer Pigmente mit photokatalytischer Aktivität  stellen Titandioxid-beschichtete Eisenoxide dar.

Photokatalytisches Titandioxid (TiO2) 

  • Reines Titandioxid ist ein Halbleiter und Photokatalysator.
  • Bei Titandioxidpigmenten, den wichtigsten deckenden Weißpigmenten,  wird die photokatalytische Aktivität durch einen hohen Rutilgehalt, Dotierungen im Kristallgitter, die Optimierung der Kristallgröße und Oberflächenbehandlungen unterdrückt.
  • Um die photokatalytische Aktivität zu maximieren, haben TiO2-basierte Photokatalysatoren hauptsächlich eine Anatas-Struktur,  es werden geringe Kristallgrößen verwendet und keine stabilisierenden anorganischen Oberflächenbehandlungen durchgeführt.

 Mechanismus der Photokatalyse 

  • Die Bandlücken von Anatas und Rutil betragen 3,2 eV bzw. 3,0 eV. Somit können sie durch Licht mit Wellenlägen unter 388 nm bzw. 410 nm aktiviert werden.
  • Wenn Licht mit einer Energie, welche größer als die Bandlücke des Anatas ist (d.h. größer als 3,2 eV oder Wellenlänge kleiner als 388 nm), auf Anatas-Titandioxid trifft, werden Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband überführt. Gleichzeitig entstehen im Valenzband  Elektronenlöcher (Defektelektron).
  • Die Elektron-Loch-Paare können nun entweder mit der Umgebung reagieren (erwünscht) oder rekombinieren (unerwünscht).  Bei einer Reaktion mit der Umgebung (mit Feuchtigkeit und Luftsauerstoff), wirken die Elektronen als Reduktionsmittel (Reduktion O2 --> O2·), die Defektelektronen hingegen reagieren als Oxidationsmittel (Oxidation OH --> ·OH). Die entstandenen reaktiven Radikale können anschließend organische Substanzen (z.B. VOCs), Luftschadstoffe oder andere Verunreinigungen zu Wasser und CO2 abbauen.

Abb.: Aktivierung von Anatas-TiO2 und Prinzip der Photokatalyse

  • Um Anatas-Photokatalysatoren durch sichtbares Licht aktivieren zu können, muss die Bandlücke verringert werden. Dies kann durch das Einbringen von Defekten in das Kristallgitter geschehen z.B. durch Dotierung (kontrolliertes Einführen von Fremdatomen / Verunreinigungen) des Kristallgitters mit z.B. C, N, Fe3+, Cr3+ oder durch das Variieren der Synthesebedingungen geschehen.