Maßgeschneiderte Ferroelektrika mit optimierten Phasenübergangstemperaturen als hochaktive Katalysatormaterialien am Beispiel der Pyrokatalyse

• Antragsteller: Dr. Sascha Raufeisen
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550852162

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung von maßgeschneiderten Ferroelektrika mit optimierten Phasenübergangstemperaturen und damit hoher kat. Aktivität, welche beispielhaft für die pyrokat. Entfernung von Mikroschadstoffen aus Wasser eingesetzt werden. Bei der Pyrokatalyse handelt es sich um ein neuartiges Katalyseverfahren, welches thermisch angeregte Pyroelektrika zur Initiierung von Redoxreaktionen, wie bspw. der Generierung von reaktiven Sauerstoffspezies, der H2-Generierung oder auch der CO2-Konvertierung nutzt. Der Mechanismus der Katalysatoranregung mittels thermischer Zyklierung birgt das einzigartige Potential, durch (Rück-)Gewinnung ungenutzter Restwärme (z.B. Industrie) oder Nutzung natürlicher Temperaturgradienten, eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. Zunächst muss jedoch die kat. Aktivität der Pyrokatalysatoren stark gesteigert werden. Einer der wichtigsten Materialparameter zur Steigerung dieser Aktivität ist der pyroelektr. Koeffizient p. Dieser ist jedoch für das am meisten eingesetzte pyroelektr. Material BaTiO3 niedrig. Aus diesem Grund werden in diesem Projekt maßgeschneiderte Ferroelektrika entwickelt, welche optimierte Phasenübergangstemperaturen im Bereich der Betriebstemperatur der Abwasserreinigung aufweisen (< 30 °C). Hierfür kommen bspw. Ba1-xSrxTiO3 (BST) oder BZT-yBCT ((1-y)Ba(Ti0.8Zr0.2)O3-y(Ba0.7Ca0.3)TiO3) mit speziellen Zusammensetzungen bzgl. x und y in Frage (Sol-Gel- bzw. Hydrothermalsynthesen). Da p nahe der Phasenübergangstemperatur drastisch ansteigt, weisen diese Materialien im Vergleich zu BaTiO3 und anderen Pyrokatalysatoren um ein Vielfaches höhere Werte für p auf. Aufgrund weiterer Anomalien bestimmter Eigenschaften in diesem Bereich, sind diese Materialien auch zur Verbesserung der Piezo- und Photokatalyse relevant. Zusätzlich zur Zusammensetzung der zu entwickelnden Katalysatormaterialien werden deren Partikelgröße (Anpassung Syntheseparameter; 6 – 50 nm) und Sauerstoffvakanzkonzentration (z.B. Vakuumannealing) optimiert. Beide Parameter haben sich in Vorarbeiten an BaTiO3 ebenfalls als maßgebliche Parameter zur starken Steigerung der pyrokat. Aktivität herausgestellt. Da sich alle 3 Parameter gegenseitig beeinflussen können, ist eine Feinabstimmung dieser sowie eine ausführliche Materialcharakterisierung notwendig. Auf diese Weise können die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen, die den erreichten Aktivitätssteigerungen zugrunde liegen, aufgeklärt werden. Besonders wichtig ist die Bestimmung von p, welche erstmalig eine Korrelation zwischen p und der pyrokat. Aktivität erlaubt. Insgesamt wird eine Steigerung der kat. Aktivität um 1 bis 2 Größenordnungen angestrebt. Die kat. Aktivität der Ferroelektrika wird über das DCF-Redoxassay (Bestimmung des Gesamtoxidationsvermögens) sowie den Abbau des endokrin wirksamen Mikroschadstoffs Bisphenol A abgeschätzt. Die umfassende Katalysatorcharakterisierung erfolgt mittels BET, XRD, REM/TEM, DSC, DRS, XPS, EPR, O2-TPD sowie pyroelektrischer Messungen (Uni Bath).

• DFG-Verfahren: WBP Stelle