Nanostrukturierte photokatalytische Oberflächen für die Abwasserreinigung

Forschende der AMO GmbH und der RWTH Aachen haben eine innovative Methode zur Effizienzsteigerung photokatalytischer Prozesse in der Abwasserreinigung vorgestellt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Applied Nano Materials veröffentlicht.

Die Wasserversorgung wird in vielen Regionen der Welt zu einer großen Herausforderung, die nach neuen Lösungen für die Abwasserreinigung und -wiederverwendung verlangt. Eine der Herausforderungen ist die Entfernung hartnäckiger organischer Verunreinigungen. Diese können zwar mit hochenergetischem UV-Licht in unschädliche Verbindungen zerlegt werden, aber die Energiekosten dieser Methoden sind derzeit zu hoch, um nachhaltige Lösungen zu ermöglichen.  Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Ulrich Plachetka von der AMO GmbH hat nun einen vielversprechenden Ansatz für den Einsatz von weniger energiereichen Photonen aufgezeigt, der den Weg für eine solarbetriebene Abwasserreinigung ebnet.

Die Kernidee hinter diesem Ergebnis ist die Kombination von strukturellen und plasmonischen Effekten, um die photokatalytische Effizienz von Titandioxid (TiO2) zu erhöhen – einem Material, das bereits als Photokatalysator in der Abwasserreinigung eingesetzt wird, aber normalerweise den Einsatz von hochenergetischem UV-Licht (UV-C) erfordert. Das Forscherteam konnte nun zeigen, dass es möglich ist, organische Moleküle auch unter weniger energiereichem UV-Licht (UV-A) photokatalytisch abzubauen, indem TiO2 auf eine nanostrukturierte Oberfläche aufgebracht wird, die aus einer periodischen Anordnung von Glaskegeln besteht, die mit einem dünnen Goldfilm überzogen sind. Das System ist sogar in der Lage, den organischen Farbstoff Methylenblau unter weißem Licht abzubauen, was auf das Potenzial dieses Ansatzes für die solare Abwasserreinigung hinweist.

Einer der interessantesten Aspekte der Arbeit ist, dass die photokatalytischen Oberflächen mit einem skalierbaren Nanostrukturierungsansatz und konventionellen Dünnschichtabscheidungsmethoden hergestellt wurden und daher in großem Maßstab zu geringen Kosten produziert werden konnten. Die photokatalytische Effizienz der auf Gold basierenden Oberflächen ist mit der von TiO2/Metall-Nanopartikeln (die heute den neuesten Stand der Technik darstellen) vergleichbar, vermeidet aber die potenziellen toxikologischen Risiken, die mit Nanopartikeln verbunden sind, vollständig.

Desislava Daskalova, Erstautorin des Papers, erklärt: „Die Neuheit unserer Studie liegt nicht in einer einzelnen Komponente unserer photokatalytischen Oberflächen, sondern in der erfolgreichen Kombination mehrerer Ansätze. Aus Sicht der Herstellung ist die Nanostrukturierung von Glassubstraten relativ einfach, und Nanoimprint macht sie skalierbar und kostengünstig. Wissenschaftlich ebnet die plasmonische Photokatalyse den Weg zu Technologien, die auf solar gesteuerten chemischen Reaktionen basieren. Wir haben gezeigt, wie all dies für eine fortschrittliche Abwasserreinigung zusammenkommt, aber das Prinzip könnte auch auf andere photokatalytische Prozesse ausgeweitet werden.“

„Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie Nanotechnologie zur Lösung globaler gesellschaftlicher Herausforderungen beitragen kann“, sagt Prof. Max Lemme, Geschäftsführer der AMO GmbH. „Bei AMO entwickeln wir seit Jahren Nanostrukturierungsverfahren. Nanoimprint war um die Jahrhundertwende ein sehr aktives Forschungsgebiet für sich. Heute ist es eines der Werkzeuge in unserem Technologieportfolio, die wir einsetzen, um nachhaltige Lösungen für reale Probleme zu finden, in diesem Fall für das Wassermanagement.“

Diese wissenschaftliche Arbeit ist das Ergebnis einer Kooperation zwischen der AMO GmbH, dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (ELD) und dem Institut für Umwelttechnik der RWTH Aachen und trägt zur Forschung in den Projekten PEPcat und FreeHydroCells bei.

 

 

Bibliografische Informationen:

„Combined Structural and Plasmonic Enhancement of Nanometer-Thin Film Photocatalysis for Solar-Driven Wastewater Treatment“, D. Daskalova, G. Aguila Flores, U. Plachetka, M. Möller, J. Wolters, T. Wintgens, and M. C. Lemme

ACS Appl. Nano Mater. 2023

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c02867

Diese Forschungsarbeit wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts PEPcat (02WCL1519A) und vom Horizon Europe Forschungs- und Innovationsprogramm der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 101084261 (FreeHydroCells) gefördert.