Forschung - Photochemie und Nanotechnologie

Photochemie und Nanotechnologie — AK Bahnemann

Leitung:

  • Prof. Dr. Detlef  W. Bahnemann

Photochemie

Die Forschungsaktivitäten im Bereich Photochemie konzentrieren sich zur Zeit 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. Durch diesen direkten Schadstoffabbau ergibt sich keine Verlagerung des Problems in eine andere Phase, wie dies z.B. bei Adsorptionsverfahren oder beim Strippen der Fall ist. 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".

Die Arbeitsgruppe Photochemie beschäftigt sich mit der Überführung der Photokatalyse vom Laborexperiment über den Technikumsversuch zur industriell nutzbaren Pilotanlage. Hierfür werden gemeinsam mit industriellen Partnern besonders aktive Photokatalysatoren entwickelt, die inzwischen zum Teil bereits kommerziell erhältlich sind (z.B. Sachtleben Hombikat UV100). Auch bei der Reaktorentwicklung arbeitet die Arbeitsgruppe sehr eng mit der Industrie zusammen. So wurde gemeinsam mit der Röhm GmbH ein industrietaugliches Reaktorkonzept entwickelt, bei dem die Reaktoren aus handelsüblichen Plexiglas-Stegdoppelplatten gefertigt werden. Nachdem die Funktionsweise dieser Reaktoren in Labor und Technikum eingehend untersucht worden ist, werden jetzt bereits erste Pilotanlagen zur solaren Wasseraufbereitung ausgelegt und realisiert. So wurde beispielsweise eine Pilotanlage zur Behandlung von ca. 1m3 Abwasser pro Tag im Auftrag der Volkswagen AG gebaut mit dem Ziel biologisch vorbehandeltes Abwasser aus der Produktion soweit nachzureinigen, dass das Wasser wieder für den laufenden Betrieb genutzt werden kann. Eine weitere im Rahmen eines EU-Projektes aufgebaute Pilotanlage dient zur Behandlung des Abwassers einer Textilfabrik in Tunesien mit dem Ziel die zur Einleitung in den kommunalen Vorfluter erforderliche Wasserqualität zu erreichen.

Neben diesen sehr anwendungsnahen Themen ist die Untersuchung der physikalisch-chemischen Grundlagen der Photokatalyse eine zentrale Aufgabe der Arbeitsgruppe. Neben zeitaufgelösten Arbeiten an einer Laserblitzphotolyseapparatur dient hier vor allem die qualitative und quantitative Analyse der Reaktionszwischen- und endprodukte dazu, den Mechanismus der Photokatalyse verstehen zu lernen.

Ansprechpartner : Prof. Dr. Detlef  W. Bahnemann


Nanotechnologie

Die Aktivitäten der Arbeitsgruppe Nanotechnologie konzentrieren sich derzeit auf die Herstellung nanokristalliner transparenter Beschichtungen mit selbstreinigenden bzw. antireflektierenden Eigenschaften. So werden im Bereich der solaren Oberflächenreinigung die Oberflächen verschiedenster Materialien durch das Aufbringen extrem dünner transparenter Titandioxidschichten derart verändert, dass anhaftende Fettmoleküle unter dem Einfluß von künstlicher oder solarer UV-A-Bestrahlung abgebaut werden, wodurch die unerwünschte Haftung von Schmutzpartikeln deutlich reduziert und damit der erforderliche Reinigungszyklus verlängert werden kann. Hierzu wurde in der Arbeitsgruppe eine entsprechende Beschichtungstechnologie entwickelt und aufgebaut. Die benötigten nanokristallinen Titandioxidpartikel werden nach zumeist selbsterarbeiteten Vorschriften synthetisiert. Die mechanische Stabilität der Schichten wird durch Abriebtests nach DIN EN CEN/TC 129N 181D untersucht. Infrarot-spektroskopische und analytisch-chemische Untersuchungen haben die Aktivität der hergestellten Schichten eindrucksvoll unter Beweis gestellt. Neben Glasoberflächen gelingt es auch, Metall- und Keramikoberflächen mit stabilen transparenten Titandioxidschichten zu versehen.

Besonders interessant ist neben der chemischen Reinigungswirkung der desinfizierende Effekt dieser Beschichtungen sowie die Möglichkeit, gezielt hydrophile bzw. hydrophobe Oberflächen zu erzeugen. Durch einfaches Bestrahlen mit Sonnenlicht gelingt es, eine zunächst wasserabweisende Oberfläche "superhydrophil" zu machen, d.h. jegliche Tropfenbildung und damit ein Beschlagen der entsprechend behandelten Oberflächen zu verhindern. Dieser Effekt ist im Dunkeln reversibel, so dass die erzeugten Schichten beliebig oft zwischen hydrophil und hydrophob hin- und hergeschaltet werden können.

Wird anstelle von Titandioxid Siliziumdioxid in Form nanokristalliner Partikel hergestellt, so gelingt es, "unsichtbare" Antireflexschichten auf Glasoberflächen zu erzeugen. Die übliche Reflexion einer Glasscheibe kann so beispielsweise von etwa 8% auf nur noch 2% reduziert werden, ohne die optische Transparenz zu beeinflussen.

Ansprechpartner : Prof. Dr. Detlef  W. Bahnemann


Doktoranden/Diplomanden:

  • Alghazali, Moftah
  • Bassiesa, Hanan
  • Bello, Marta
  • Fateh, Razan
  • Hakki, Amer
  • Kandiel, Tarek
  • Königs, Marco
  • Menendez, Victor
  • Stötzner, Julia
  • Tauchert, Elias
  • Tschirch, Jessica
  • Vormoor, Michaela

Postdocs :

  • Dillert, Ralf
  • Mendive, Cecilia

Diplomanden und stud. Mitarbeiter:

  • Schiemann, Daniel
  • Wagner, Stefanie