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Trotz Filtersystemen und Abgas-Katalysatoren ist die Luft in vielen Städten und Ballungsräumen weiterhin mit vielen Schadstoffen belastet. Die Photokatalyse stellt hier eine effektive Möglichkeit dar, um die Schadstoffbelastung vollkommen unabhängig von den Emissionsquellen zu reduzieren. Insbesondere die giftigen Stickoxide (NO_x) können mithilfe von Licht und dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff durch Photokatalysatoren wie Titandioxid in das unproblematische Nitrat umgewandelt werden. Die Katalysatoren können auf verschiedene Baumaterialien wie beispielsweise Pflastersteine, Betonelemente, Fassaden oder Dachziegel aufgebracht werden, ohne dass deren Aussehen oder Funktion nennenswert beeinflusst wird. Einmal verbaut, senken solche funktionalisierten Elemente ohne weitere Maßnahmen die Schadstoffkonzentration in der umgebenden Luft.

Konventionelle Photokatalysatoren sind in ihrer Reaktivität beim Abbau von Stickoxiden nicht sehr spezifisch. Unter ungünstigen Bedingungen kann das dazu führen, dass zwar NO und NO₂ abgebaut werden, aber durch andere Reaktionswege insbesondere NO₂ auch wieder entsteht.[1,2] Um dieses Phänomen wirkungsvoll unterbinden zu können, wurde untersucht, welche Reaktionen zur Bildung der unerwünschten Nebenprodukte führen. Als Problemstelle konnte die langsame Aktivierung des als Oxidationsmittel verwendeten Sauerstoffs identifiziert werden.[3] Dies hat zur Folge, dass bereits gebildetes Nitrat wieder zurückreagieren kann und dadurch NO₂ freigesetzt wird.

Abb. 1: Reaktionsverlauf des photokatalytischen Abbaus von NO_x an mit Eisenionen modifizierten Titaniumdioxid mit erhöhter Selektivität und Aktivität.

Durch die Imprägnierung der Photokatalysatoren mit Eisenionen kann das jedoch verhindert werden. Die Metallionen dienen als kurzfristiger „Elektronenspeicher“ und begünstigen so die Sauerstoffaktivierung. Dadurch wird sowohl die Abbaueffizienz für Stickoxide erhöht als auch Rückreaktionen unterbunden (Abb. 1).

Die Nitratselektivität der Materialien konnte so von etwa 30 Prozent auf über 90 Prozent gesteigert und damit die Bildung von NO₂ praktisch komplett unterdrückt werden.[4] Die verbesserte Reaktivität hat zur Folge, dass die Gesamtmenge an abgebautem Stickoxid um bis zu 500 Prozent erhöht wird! Zudem werden auch noch andere Luftschadstoffe wie Ozon effizienter abgebaut.[5] Die Performance der entwickelten Materialien wurde dabei nicht nur im ISO-Standardtest mit NO, sondern auch mit Mischungen aus NO, NO₂ und Ozon bestimmt, welche die natürlichen Umgebungsbedingungen deutlich besser wiederspiegeln (Abb. 2). 

Abb. 2: Das Verhalten eines unmodifizierten Titandioxid-Photokatalysators (P25, A, links) und eines verbesserten, selektiveren Photokatalysators (P25 beladen mit 0,04 at.% Eisen, B, rechts) unter umgebungsrelevanten Konzentrationen von NO, NO₂ und O₃. Versuchsbedingungen angelehnt an ISO 22197-1.

Konventionelle Photokatalysatoren zeigen unter diesen Bedingungen nur einen geringen Abbau von NO_x von 8% und einen hauptsächliche Umwandlung von NO in NO₂, was sich in einem Konzentrationsanstieg von NO₂ um 40 % wiederspiegelt. Die Konzentration an Ozon wird nicht beeinflusst. Durch die Modifikation mit Eisenionen kann nicht nur zusätzliche Freisetzung von NO₂ unterdrückt werden, sondern es wird der Gehalt von NO, NO₂ als auch Ozon in der Luft deutlich gesenkt. Dabei werden 50 % des NO_x und 40 % des NO₂ in Nitrat umgewandelt.

Da es reicht, sehr geringe Mengen an Metallionen von deutlich weniger als einem Gewichtsprozent einzusetzen und diese durch eine einfache Imprägniertechnik aufgebracht werden können, werden weder die Eigenschaften des Materials noch dessen Kosten signifikant verändert. Die im Rahmen eines IGF-Projekts entwickelten Materialien stellen daher in jeder Hinsicht einen großen Fortschritt dar. 

References

[1]   J.Z. Bloh, A. Folli, D.E. Macphee, RSC Adv., 2014, 4, 45726–45734.

[2]   J.Z. Bloh, A. Folli, D.E. Macphee, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 21281– 21292.