Ausgangssituation

Am Fraunhofer ISC sind Methoden zurHerstellung von TiO2-Dünnschichten füroptische Anwendungen entwickelt wor-den. Ausgehend von Metallalkoxidenkönnen Glassubstrate großflächig mithoher optischer Qualität bei niedrigenInvestitionskosten beschichtet werden.Die Probleme des Sol-Gel-Prozesseshinsichtlich der Reproduzierbarkeit derSolherstellung und der Solstabilitätkonnten durch den Einsatz amorpher,löslicher Vorstufenpulver gelöst werden.

Entwicklung hochaktiver,photokatalytischer Schichten

Die Struktur der Titandioxidoberflächeist entscheidend für die Eigenschaft desMaterials. Das Sol-Gel-Verfahren er-öffnet viele Möglichkeiten, die Mikro-struktur von Dünnfilmen anzupassenund zu optimieren. Für optische Anwen-dungen werden dichte TiO2-Dünnfilmemit einer glatten Oberfläche benötigt,wohingegen für photokatalytische An-wendungen raue TiO2-Dünnfilme miteiner großen Oberfläche von Vorteilsind. Um die Aktivität unterschiedlicherSchichten zu ermitteln, wurde amFraunhofer ISC ein Reaktor für photo-katalytische Abbaureaktionen entwik-kelt (Bild 1).

Die Oxidation von Dichloressigsäure (a)zu Kohlendioxid und H+- und Cl--Ionenoder von Methanol (b) zu Formaldehydan photokatalytisch aktivenTiO2-Oberflächen ist in Abhängigkeitvon der Bestrahlungsdauer messbar:

a) Cl2CH-COOH + O2 → 2 CO2 + 2 HCl

b) 2 CH3-OH + O2 → 2 CH2O + 2 H2O.

Fraunhofer-Allianz für Photokatalyse

www.photokatalyse.fraunhofer.de

c/o Fraunhofer ISTBienroder Weg 54E38108 Braunschweig

MarketingDr. Simone KondruweitTel. 0531/2155-535Fax 0531/2155-900E-Mail info@photokatalyse.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Silicatforschung

Prof. Dr. Gerd MüllerNeunerplatz 297082 Würzburgwww.isc.fraunhofer.de

Dr. Frank HutterTel. 0931/4100-402E-Mail frank.hutter@isc.fraunhofer.de

Dipl.-Ing. (FH) Bettina HerbigTel. 0931/4100-403E-Mail bettina.herbig@isc.fraunhofer.de

PhotokatalytischeBeschichtungen

AllianzPhotokatalyse

FraunhoferFhG

Bild 1: Schematische Darstellung eineszylindrischen Reaktors des Fraunhofer ISCfür die Messung der photokatalytischenAktivität TiO2-beschichteter Glassubstrate.

Bild 2: Die photokatalytische Aktivität eineskommerziellen Architekturglases (TiO2-beschichtet) im Vergleich zu einem dichtenund einem porösen TiO2-Sol-Gel-Dünnfilm.

ProduktblattAlliance_01.p65 16.04.05, 09:302

Der photokatalytische Abbau vonDichloressigsäure kann auf einfacheWeise durch die Messung der entsteh-enden Chloridionen erfolgen, wohinge-gen Formaldehyd durch eine spezifischeFarbreaktion und anschließende photo-metrische Bestimmung der Farbinten-sität nachgewiesen werden kann.

Bild 2 zeigt die photokatalytische Aktivi-tät eines dichten TiO2-Dünnfilmes, her-gestellt über das Sol-Gel-Verfahren, imVergleich zu einem kommerziell erhält-lichen Produkt für die Architekturan-wendung.Die Abbauraten beider Materialien sindvergleichbar. Dies weist darauf hin, dassbereits für optische Anwendungen ent-wickelte dichte TiO2-Dünnfilme mit demkommerziellen Produkt, hergestelltdurch das APCVD-Verfahren (engl.Atmospheric Pressure Chemical VapourDeposition), konkurrieren können.

Die Zugabe spezieller organischer Ver-bindungen zur Beschichtungslösung unddas Herausbrennen dieser Substanzenin einem abschließenden Sinterprozess,wodurch eine definierte Porosität derSchicht erzeugt wird, steigert die photo-katalytische Aktivität poröser TiO2-Schichten (Bild 2). Die rasterelektronen-und die rasterkraftmikroskopische Auf-nahme in Bild 3 zeigt, dass der Zugangfür organische Schadstoffe in tiefer ge-legene Stellen der TiO2-Schicht durchPoren erleichtert ist. Hierdurch wird dieTiO2-Oberfläche für photokatalytischeReaktionen vergrößert.

Das Prägen von Sol-Gel-Schichten miteinem Stempel, durch das ein periodi-sches Muster erzeugt werden kann, isteine weitere Methode, die Mikrostruk-tur einer anorganischen Oberfläche zuverändern. Dieses periodische Mustereines TiO2-Dünnfilmes auf Glas zeigt dierasterkraftmikroskopische Aufnahme inBild 4.

Schichtanalytik und Perspektiven

Für die Charakterisierung und die Ent-wicklung photokatalytisch aktiver Be-schichtungen sind am Fraunhofer ISCneben REM und AFM weitere analyti-sche Methoden verfügbar, z. B. FTIR-,Raman-, UV/VIS- und Fluoreszenz-spektroskopie, sowie TEM, XPS undXRD. Neben den beiden entscheiden-den Einflüssen (photokatalytische Akti-vität, photoinduzierte Hydrophilie) derphotokatalytischen Schichten sind vieleweitere Eigenschaften für unterschiedli-che Anwendungen notwendig, z. B.Härte, Kratzbeständigkeit, Transparenz,Bewitterungs- und Langzeitstabilität.Diese Eigenschaften können ebenfallsmit verschiedenen Methoden (Taber-Abrasertest, Sun- und Xeno-Test,QUV (Q Panel Company Ultraviolett)-Bewitterung) geprüft werden.

Ziel weiterer Arbeiten sind die Ver-gleichbarkeit der photokatalytischenAktivität von TiO2-Schichten durch dieEntwicklung zusätzlicher Testmethodenund die Entwicklung von Schichten, dieüber lange Zeit aktiv sind und zudemmit Hilfe von sichtbarem Licht(λ > 400 nm) aktiviert werden können.In Kooperation mit den Fraunhofer-Insti-tuten IST, IFAM, FEP, ISE, IGB, IME inder Fraunhofer-Allianz für Photokatalysewerden photokatalytische Beschichtun-gen durch verschiedenartige Methoden,wie Sol-Gel-, Magnetron-Sputter-,Atmosphärendruckplasmaverfahrenetc., hergestellt. Zudem werden analyti-sche Testmethoden und -geräte entwik-kelt und biologische und umwelt-relevante Aspekte der Photokatalyseuntersucht.

Bild 3: Rasterelektronenmikroskopische(REM) und rasterkraftmikroskopische (AFM)Aufnahme eines porösen TiO2-Sol-Gel-Dünnfilms.

Bild 4: Rasterkraftmikroskopische (AFM)Aufnahme eines geprägten TiO2-Sol-Gel-Dünnfilms.

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