NITROCAT- Ein kinetisches Modellierungsverfahren zur Optimierung der photokatalytischen Nitratreduktion zu Stickstoff

• Antragstellerin: Dr. Girlie Eunice Lopez
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 573686000

Nitrat (NO₃⁻) zählt zu den bedeutendsten Schadstoffen in Oberflächen- und Grundwasser und wird weltweit aufgrund seiner Gesundheitsrisiken reguliert und überwacht. Zwischen 2016 und 2019 überschritten in Europa 14,1 % des Grundwassers der EU-Mitgliedstaaten den Trinkwassergrenzwert für NO₃⁻ (50 mg/L). Um dieser Herausforderung zu begegnen, verstärkte die Europäische Kommission ihre Maßnahmen zur Einhaltung der Nitratrichtlinie, die eine zentrale Rolle im europäischen Grünen Deal spielt. Photokatalyse gilt als vielversprechender Ansatz zur Umweltreinigung, bei dem Licht als nachhaltige Energiequelle genutzt wird, um NO₃⁻ in harmloses Stickstoffgas (N₂) umzuwandeln. Trotz intensiver Forschung mit Titandioxid (TiO₂) und modifizierten TiO₂-Systemen, die teils 100 % Selektivität zeigen, sind die Gesamtumwandlungsraten oft gering (zwischen 8 % und 50 %). Zudem führen Unterschiede bei Reaktionsbedingungen – etwa pH-Wert, NO₃⁻-Konzentration und Lichtintensität – zu inkonsistenten Ergebnissen. Ihr Einfluss auf die Reaktion ist bisher nur unzureichend verstanden. Die NO₃⁻-Reduktion ist eine komplexe Reaktion, bei der sich Produktverteilungen je nach Bedingungen stark verändern. Hohe Selektivität und Konversion lassen sich meist nicht zuverlässig in Einzelexperimenten erzielen, solange die zugrunde liegenden Mechanismen und Parameter nicht vollständig verstanden sind. Das NITROCAT-Projekt will diese Lücken schließen – mit einem kombinierten Ansatz aus komplexer kinetischer Modellierung und modellbasierter Versuchsplanung (MBDoE). Die kinetische Modellierung liefert katalysatorspezifische Parameter wie Reaktionsgeschwindigkeiten, Quantenausbeuten und Rekombinationsraten. So kann besser verstanden werden, wie Reaktionsbedingungen und Katalysatoränderungen die Leistung beeinflussen und wie effizientere NO₃⁻-Reduktionssysteme entwickelt werden können. MBDoE hilft dabei, die experimentellen Bedingungen gezielt zu wählen, um maximale Erkenntnisse aus jedem Versuch zu gewinnen. Beide Methoden zusammen bieten einen strukturierten Ansatz, um den Einfluss von Reaktionsparametern auf die photokatalytische NO₃⁻-Reduktion systematisch zu erfassen und die Selektivität der Reaktion zu optimieren. Der erwartete Nutzen von NITROCAT ist groß. Es erweitert das Grundlagenwissen zur NO₃⁻-Sanierung und liefert praktische Leitlinien zur Optimierung von Reaktionsbedingungen und zur Anwendung von MBDoE. Das Projekt trägt zur Lösung der NO₃⁻-Problematik bei und unterstützt gleichzeitig globale Nachhaltigkeitsziele wie das UN-Ziel 6 (Sauberes Wasser und Sanitäreinrichtungen) sowie den europäischen Grünen Deal.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle