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Innovative Baustoffe reinigen die Luft – Stickoxidabbau durch Photokatalyse

Hohe Schadstoffbelastung

Trotz Filtersystemen und Abgas-Katalysatoren ist die Luft in vielen Städten und Ballungsräumen weiterhin mit vielen Schadstoffen belastet. Insbesondere Stickoxide (NOx) bedrohen unsere Luftqualität und damit unsere Gesundheit. Seit dem Jahr 2010 gelten europaweit einheitliche Grenzwerte für diese Schadstoffe. Allerdings werden die Werte gerade für Stickstoffdioxid (NO2) in vielen deutschen Städten regelmäßig überschritten. Um nicht zu drastischen Maßnahmen wie Fahrverboten greifen zu müssen, werden dringend alternative Möglichkeiten zur Reduktion der Stickoxidbelastung gesucht.

Photokatalyse als potenzielle Lösung

Eine Möglichkeit, die Schadstoffbelastung unabhängig von den Emissionsquellen zu reduzieren, ist die Photokatalyse. Mithilfe von Licht und dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff können Photokatalysatoren wie Titandioxid giftige Stickoxide in unproblematisches Nitrat umwandeln. Die Katalysatoren können dabei auf Baumaterialien wie Pflastersteine, Betonelemente, Fassaden oder Dachziegel aufgebracht werden, ohne dass deren Aussehen oder Funktion nennenswert beeinflusst werden. Einmal verbaut, senken solche funktionalisierten Elemente die Schadstoffkonzentration in der umgebenden Luft.

Konventionelle Photokatalysatoren sind allerdings in ihrer Reaktivität nicht sehr spezifisch. Unter ungünstigen Bedingungen kann das dazu führen, dass zwar NO2 abgebaut wird, aber durch andere Reaktionswege auch wieder entsteht. Um dieses Phänomen zukünftig wirkungsvoll unterbinden zu können, hat das AiF-Mitglied DECHEMA ein Vorhaben der vorwettbewerblichen Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) initiiert. Dazu musste zunächst untersucht werden, welche Reaktionen zur Bildung der unerwünschten Nebenprodukte führen. Als Problemstelle identifizierten die Wissenschaftler des DECHEMA-Forschungsinstituts die langsame Aktivierung des als Oxidationsmittel verwendeten Sauerstoffs. Dies hat zur Folge, dass bereits gebildetes Nitrat wieder zurückreagieren kann und dadurch NO2 freigesetzt wird.

Beladung mit Metallionen

Durch die Imprägnierung der Photokatalysatoren mit  Metallionen kann das jedoch verhindert werden, denn Metallionen dienen als kurzfristiger „Elektronenspeicher“ und begünstigen so die Sauerstoffaktivierung. Dadurch werden sowohl die Abbaueffizienz für Stickoxide erhöht als auch Rückreaktionen unterbunden. Da es reicht, sehr geringe Mengen an Metallionen von deutlich weniger als einem Gewichtsprozent einzusetzen, werden weder die Eigenschaften des Materials noch dessen Kosten signifikant verändert.

Insbesondere die Beladung mit Eisenionen hat sich in den Versuchen als sehr effektiv herausgestellt: Die Nitratselektivität der Materialien konnte von etwa 30 Prozent auf über 90 Prozent gesteigert und damit die Bildung von NO2 praktisch komplett unterdrückt werden. Die verbesserte Reaktivität hat zur Folge, dass die Gesamtmenge an abgebautem Stickoxid um bis zu 500 Prozent erhöht wird! Zudem werden auch noch andere Luftschadstoffe wie Ozon effizienter abgebaut. Die im Rahmen des IGF-Projekts entwickelten Materialien stellen daher in jeder Hinsicht einen großen Fortschritt dar.

Chancen für den Mittelstand und die Gesellschaft

Zwar produzieren meist große Pigmenthersteller die Photokatalysatoren, aber die Weiterverarbeitung zu funktionalisierten Baumaterialien sowie deren Applikation erfolgen hauptsächlich in kleinen und mittelständischen Unternehmen. Angesichts der enormen Herausforderungen, unsere Ziele bei der Luftqualität in den Großstädten zu erreichen, bieten photokatalytische Baumaterialien nicht nur ein hohes wirtschaftliches Potenzial, sondern leisten gleichermaßen einen wichtigen gesellschaftlichen Beitrag, da sie unsere Gesundheit schützen.

Ihr Ansprechpartner

Dr. Jonathan Bloh
DECHEMA-Forschungsinstitut
Technische Chemie
bloh(at)dechema(.)de
Tel.  +49 69 7564-387

Projekttitel: Entwicklung von selektiven Photokatalysatoren für den Stickoxidabbau

Förderkennzeichen: 18152 N
Laufzeit 06/2015 – 08/2017
Fördersumme: 248.513 Euro
Programm: Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)
Fördermittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Forschungsvereinigung

DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.

Eingebundene Unternehmen

  • ERLUS AG, Neufahrn/NB
  • F. C. Nüdling Betonelemente GmbH + Co. KG, Fulda
  • Fachverband Angewandte Photokatalyse im Verband der Mineralfarbenindustrie e.V., Frankfurt/Main
  • IBU-tec advanced materials AG, Weimar
  • KRONOS International Inc., Leverkusen
  • NADICO Technologie GmbH, Langenfeld
  • Wagner Mess- und Regeltechnik GmbH, Offenbach/Main

Forschungseinrichtung

Foto: © fotolia.de

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