Von Normand Brais, P.Eng., M.A.Sc., Ph.D.
Gemeinsamer Katalysator auf Titanoxidbasis: TiO2
In der Chemie versteht man unter PCO die Beschleunigung einer Photoreaktion in Gegenwart eines Katalysators. Bei der katalysierten Photolyse wird das Licht von einem adsorbierten Substrat absorbiert. Die photokatalytische Aktivität hängt von der Fähigkeit des Katalysators ab, Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen, aus denen freie Radikale (Hydroxylradikale: OH) entstehen, die Oxidationsreaktionen eingehen können. Seit der Entdeckung der Wasserelektrolyse mit Hilfe von Titandioxid ist es möglich geworden, dieses Verfahren zu verstehen. Die kommerzielle Anwendung des Verfahrens wird als Advanced Oxidation Process (AOP) bezeichnet und dient der Wasseraufbereitung.
Titandioxid, insbesondere in der Anatasform, ist ein Photokatalysator unter ultraviolettem Licht. Kürzlich wurde festgestellt, dass Titandioxid, wenn es mit Stickstoffionen angereichert oder mit Metalloxiden wie Wolframtrioxid dotiert ist, auch ein Photokatalysator unter sichtbarem und UV-Licht ist. Das starke oxidative Potenzial der positiven Löcher oxidiert Wasser zu Hydroxylradikalen. Es kann auch Sauerstoff oder organische Stoffe direkt oxidieren. Titandioxid wird daher Farben, Zementen, Fenstern, Fliesen oder anderen Produkten zugesetzt, um sterilisierende, desodorierende und bewuchshemmende Eigenschaften zu erzielen, und es wird auch als Hydrolysekatalysator verwendet.
Obwohl diese Technologie perfekt auf die Luft übertragbar zu sein scheint, gibt es einen wichtigen praktischen Vorbehalt, der vor kurzem ans Licht kam: Das Titanoxid wird durch Siliziumdioxid „vergiftet“ und seine Nutzungsdauer wird stark beeinträchtigt. Nach längerer Erfahrung mit dieser Technologie an der Luft wurde festgestellt, dass das PCO allmählich zerfällt und den größten Teil seines oxidativen Potenzials innerhalb eines Jahres oder weniger verliert.
Die Wirkung von Kieselsäure als Titanoxid-Neutralisator ist in der Sonnenschutzmittelindustrie wohl bekannt. Jedes Sonnenschutzmittel mit einem physikalischen Blocker enthält Titandioxid, weil es UV-Licht stark absorbiert und so verhindert, dass UV-Strahlen auf die Haut gelangen. Sonnenschutzmittel für Kleinkinder oder Menschen mit empfindlicher Haut basieren häufig auf Titandioxid und/oder Zinkoxid, da diese mineralischen UV-Blocker weniger wahrscheinlich Hautreizungen verursachen als chemische UV-Absorber wie Avobenzon.
Um jedoch die Bildung krebserregender Radikale auf der Haut aufgrund der Aktivität der photokatalytischen Reaktion zu vermeiden, werden die in Sonnenschutzmitteln verwendeten Titandioxidpartikel absichtlich mit Kieselsäure beschichtet. Der Zusatz von Siliziumdioxid neutralisiert die photokatalytischen Eigenschaften des Titandioxids und macht den Sonnenschutz unschädlich.
Da Siliziumdioxid häufig in Haushaltsanwendungen wie Abdichtungen und vielen anderen Materialien zu finden ist, ist das PCO-Titandioxid mit Siliziumdioxid kontaminiert und verliert innerhalb von drei Monaten die Hälfte seiner Aktivität. Das bedeutet, dass es nach 6 Monaten nur noch zu 50 %, nach 9 Monaten zu 25 % und nach einem Jahr zu 12,5 % wirksam ist. Dann kann er als Luftreinigungsgerät keine ausreichende Leistung mehr erbringen. Dies ist der Hauptgrund, warum seriöse Unternehmen jetzt einen Schritt zurück machen und sogar von den wunderbaren Versprechungen der herkömmlichen PCO auf Titanoxidbasis als Lösung für die Geruchsbeseitigung Abstand nehmen.
Neue photokatalytische Oxidation mit Kobalt (Co-PCO)
Die Verwendung von UV-Licht zur Erzielung sauberer Luft- und Wasserressourcen durch photokatalytische Oxidation ist ein Ziel von Wissenschaftlern weltweit(1,2,3) in den letzten zwei Jahrzehnten. Photokatalyse ist ein allgemeiner Begriff, der sich auf chemische Oxidationsreaktionen bezieht, die durch photonenaktivierte Katalysatoren ermöglicht werden, die in der Luftreinigungsindustrie allgemein als PCO bezeichnet werden.
PCO-Katalysatoren bestehen aus einem Metalloxid-Halbleiter, in der Regel Titanoxid (TiO2), mit einer Bandlückenenergie, die die Absorption ultravioletter Photonen ermöglicht, um Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen, die als „aktive Stellen“ bezeichnet werden und die chemische Reaktion einleiten können. Bei Titanoxid-PCO liegt die Energiebandlücke bei 360 nm Photonen, also in der Mitte des UV-A-Bereichs (315-400 nm). Das ist ziemlich weit entfernt vom UV-C-Bereich herkömmlicher keimtötender Lampen, die den größten Teil ihrer Photonenenergie bei 254 nm Wellenlänge emittieren, und erklärt daher teilweise die eher trügerische Effizienz aktueller PCO-Luftreiniger auf Titanoxidbasis, die Quecksilber-Niederdrucklampen verwenden. Diese geringe Effizienz ist hauptsächlich für die Bildung gefährlicher Nebenprodukte wie Formaldehyd verantwortlich. Ein weiteres wichtiges Hindernis für die Einführung von PCO ist die kurze Lebensdauer des Katalysators, die durch Siliziumdioxidvergiftung verursacht wird. Kieselsäure, der Hauptbestandteil von Sand, ist in unserer täglichen Umwelt allgegenwärtig. Siloxane wurden als Hauptursache für die derzeitige Deaktivierung von PCO identifiziert(4). Da durch die Deaktivierung die Zahl der verfügbaren aktiven Stellen abnimmt, kommt es zu einer unvollständigen Oxidation, die die Produktion von Nebenprodukten fördert.
Die grundlegende Wirkung des Zusatzes von Kobaltoxid besteht darin, dass die Energiebandlücke des Katalysators zu Photonen mit höherer Energie verschoben wird, die näher an den von Quecksilber-Niederdrucklampen emittierten 254 nm-Photonen liegen. Durch die Fähigkeit, höhere Energien zu absorbieren, bietet der mit Kobalt verstärkte Katalysator genügend photokatalytische Aktivität, um VOC im Haushalt vollständig zu oxidieren(5,6) und die vorübergehende Bildung von Formaldehyd, Acetaldehyd und anderen unvollständig oxidierten Nebenprodukten zu vermeiden. Es ist erwähnenswert, dass die aktive Bandlücke des Kobalt-Katalysators mit höherer Energie viel breiter ist als die des eigentlichen Titanoxids und sich als nahezu unempfindlich gegenüber Siliziumdioxid-Vergiftungen erwiesen hat. Aktuelle Tests haben gezeigt, dass die Aktivität des Kobaltkatalysators nach einem Jahr Betrieb nicht signifikant abnimmt.