Thermostabilisierung von photokatalytisch aktivem Anatas durch SiO2 Zusatz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der industrielle Einsatz vom nanoskaligen Anatas (TiO2) als (Photo)Katalysator, -träger und Gassensor ist aufgrund des unkontrollierten Sinterns und der Umwandlung zum inaktiven Rutil auf Prozesstemperaturen <550°C beschränkt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden neuartige hochtemperaturstabile >900°C und photokatalytisch aktive TiO2/SiO2-Anataspartikel in einer verfahrenstechnischen bottom-up Strategie durch Flammensynthese hergestellt, wobei die Einführung von stabilisierenden Fremdmolekülen in die laminare Vormischflamme unmittelbar nach der Entstehung der Anataspartikel erfolgte. In der vorangegangenen Charakterisierung einer homologen Reihe reiner TiO2-Pulver mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 6 bis 21 nm wurden die vorteilhaften Bedingungen zur Herstellung von photokatalytisch hoch-aktiven Halbleiternanopartikeln ermittelt. Darauf aufbauend wurde es versucht, die Entwicklung der Anatasreaktivität mit dem Mechanismus der Phasenumwandlung zu verknüpfen. Es konnte gezeigt werden, dass das Partikel-wachstum und die Dynamik der Rutilbildung in der Gas-Aerosolströmung in einer engen Verbindung mit der sog. kritischen Anataspartikelgröße steht. Die anschließend darauf aufgebaute Korrelationsanalyse bestätigte die Existenz einer besonders hoch-reaktiver „nahe zur Anatas-zu-Rutil-Umwandlung liegender“ Anatas-Partikelfraktion, deren Gehalt in polydispersen Materialien, wie es scheint, die gesamte photokatalytische Performance der pyrogenen TiO2-Nanopulver bestimmt. Die Zugabe von SiO2 bei der TiO2-Flammensynthese führte zu einer beachtlichen Thermostabilisierung der Anatas-Phase. Die Verringerung von TiO2-TiO2 Kontakten inhibiert die Ausbildung von Rutil-Kristallstruktur unter Anataspartikeln, so dass der Anatas-Gehalt auch bei der Temperaturbehandlung der Partikel bis 1050°C konstant und zum größten Teil bis 1100°C erhalten bleibt. In Abhängigkeit von den Prozessbedingungen lassen sich bei der Herstellung von TiO2/SiO2-Pulvern in der laminaren Vormischflamme unterschiedliche Partikelstrukturen, wie 1) auf TiO2-Nanopartikeln fein verteilte SiO2-Nanopartikel oder 2) mit Si-O2-Schicht ummantelte TiO2-Partikeln mit einem „Kern-Schale-Aufbau“ realisieren. Um die Reaktivität des getemperten Anatas zu erhalten, soll nur die minimal zur Stabilisierung notwendige SiO2-Menge eingesetzt werden, da die überschüssigen Zugaben infolge der Oberflächenpassivierung bis zur kompletten Inaktivierung des TiO2 führen. Wie die Untersuchungen zeigen, lassen sich die photokatalytische Aktivität und die Thermostabilität der Anatas- Phase vollkommen über die Einstellung der TiO2/SiO2-Produktmorphologien steuern. Während für Einsatztemperaturen <1050°C die Produktmorphologie 1) zugunsten der hohen photokatalytischen Aktivität kommt, sind für höhere Temperaturen Kern-Schale-Strukturen erforderlich. Die Eigenschaften der getemperten Partikel resultieren aus dem Verhalten des SiO2 i.e. Agglomeration, Sinterung und der Absonderung vom TiO2 beim viskosen Fließen in entsprechenden Temperaturbereichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Photocatalytic activity of nanostructured titanium dioxide from diffusion flame synthesis, Chemical Engineering Journal, 170 (2011), 308-315
A. Moiseev, F. Qi, J. Deubener, A. Weber
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Thermostable photocatalytically active TiO2 anatase nanoparticles, Journal of Nanoparticle Research, 13 (2011), 1325-1334
F. Qi, A. Moiseev, J. Deubener, A. Weber
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Gasphase photocatalytic activity of nanostructured titanium dioxide from flame aerosol synthesis, Applied Catalysis B: Environmental, 111-112 (2012), 1-9
Jõks, S. Klauson, D. Krichevskaya, M., Preis, S., Qi, F., Weber, A. Moiseev, A., Deubener, J.
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Analysis of photocatalytic performance of nanostructured pyrogenic titanium dioxide powders in view of their polydispersity and phase transition: critical anatase particle size as a factor for suppression of charge recombination, Chemical Engineering Journal, 228 (2013), 614-621
Moiseev, A; Krichevskaya, M.; Qi, F.; Weber, A. P.; Deubener, J.
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Aqueous photocatalytic oxidation of doxycycline, Journal of Advanced Oxidation Technologies, 16 (2) (2013), 234-243
Klauson, D., Poljakova, A., Pronina, N., Krichevskaya, M., Moiseev, A., Dedova, T., Preis, S.
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Chapter 14 "High temperature stable nanoparticles by interface passivation demonstrated on self-cleaning titania coatings" to the "Handbook of functional nanomaterials", Nova Science Publishers, Ltd., USA, ISBN: 978-1-62948-566-9 (2013)
F. Qi, A. Moiseev, J. Deubener, A. Weber
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Silicon Dioxide Coating of Titanium Dioxide Nanoparticles from Dielectric Barrier Discharge in a Gaseous Mixture of Silane and Nitrogen, Plasma Chemistry & Plasma Processing, 33 (2013) 839–853
Sebastian Dahle, Lienhard Wegewitz, Fei Qi, Alfred P. Weber, Wolfgang Maus-Friedrichs
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“Synthesis of hightemperature stable titania nanoparticles for photocatalytic applications“, Dissertation TU Clausthal, 2013, ISBN 978-3-86948-290-3
Fei Qi
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Herstellung und Charakterisierung von hoch-reaktiven und temperaturstabilen Anatas (TiO2) Nanopartikeln für photokatalytische Anwendungen, Chemie Ingenieur Technik, 86 (3) (2014) 245–252
Fei Qi, A. Moiseev, J. Deubener, A.P. Weber
