Stabilisierung photoelektrochemisch hochreaktiver Anataspartikel mit defektreichen Randschichten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Deubener; Professor Dr. Alfred Weber
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243900894

Die Anatas-zu-Rutil Umwandlung ist mit dem Auftreten defektreicher Sauerstoff defizienter TiO2-x-Oberflächen verknüpft, denen gleichwohl eine hohe Reaktivität zukommt. So konnte in Vorarbeiten unter Anwendung eines kontrollierten Hochtemperatur-Syntheseverfahrens und der Identifizierung homologer Materialiensequenzen für nanoskalige Partikel gezeigt werden, dass die photokatalytische Effizienz poly-disperser pyrogen hergestellter TiO2-Materialien durch den Anteil von nahe zur Anatas-zu-Rutil-Umwandlung liegenden Anatas-Nanopartikeln vollkommen geregelt wird. Aufgrund einer niedrigen thermi-schen Stabililität derartiger hoch-reaktiven Anatas-Strukturen (schnelle Versinterung zum unaktiven Rutil) ist ihr Anteil in polydispersen pyrogenen Pulvermaterialien aber sehr gering. Im Zentrum des Forschungs-projekts steht daher die Untersuchung der grundlegenden Mechanismen, die zur Bildung und Stabilisierung dieser spezifischen Anatas-Partikelfraktion in der Gas-Aerosol-Strömung beitragen. Hierzu soll eine wis-sensbasierte Synthese der Nanomaterialien dienen, bei der Partikel durch Quenchen, d.h. Einfrieren des er-zielten Partikelaufbaus, systematisch variiert werden. Das verfahrenstechnische Ziel ist dabei die Aufklärung der Zusammenhänge zwischen den Partikelwachstumsbedingungen in der Flamme und Entwicklungsverlauf der hoch-reaktiven Anatasfraktion in polykristallinen pyrogen hergestellten Photokatalysatoren. Aus materi-alwissenschaftlicher Sicht soll auf Basis der entwickelten fraktionellen Analyse polydisperser Pulver und der Variation photokatalytischer Prozessparameter, die Kinetik der Oxidationsreaktion als Pendant zu den auf der Oberfläche der Nanopartikel ablaufenden photoelektrochemischen Vorgängen in Bezug auf die Sauer-stoffaufnahme und -verbrauch, d.h. zur Verfolgung der Sauerstoffleerstellenkonzentration in Abhängigkeit von Partikelgröße und ihrer Lage auf dem Anatas/Rutil-Diagramm dienen. Hierzu wird die umfangreiche Pulvercharakterisierung (Primärpartikelverteilung, Phasenzusammensetzung, Partikelmorphologie) um eine Sauerstoffreaktionsanalytik erweitert, bei der die O2-Adsorptionskapazität als Äquivalent zur Sauerstoffleerstellenkonzentration an der Oberfläche der Partikel bestimmt wird. Die Korrelation von Defektstrukturen und photokatalytischer Performance soll durch Zusammenführung verfahrenstechnischer und materialwissen-schaftlicher Kompetenzen der beiden Antragsteller sowie durch Kombination sich ergänzender experimen-teller und analytischer Methoden erreicht werden. Insbesondere soll eine Adaption des modular aufgebauten Arbeitsprogramms durch Rückkopplung von Teilergebnissen und disziplinübergreifendem Wissenstransfer ermöglicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen