Die Verwendung von plasmonischen Nanopartikeln für die Photokatalyse erlaubt eine einfache und kostengünstige Abluftreinigung. Dabei werden Nanopartikel-beschichtete poröse Glasplatten verwendet. Der Nanopartikel-basierte katalytische Abbau von Modellschadstoffen konnte erfolgreich demonstriert werden. Die Gold-Nanopartikel werden dabei mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich (Sonnenlicht) aktiviert, damit wird eine  kostenintensive Temperierung obsolet.

Von L. Stolle // F. Garwe // R.  Müller // T. Krech // B. Oberleiter // T. Rainer // W.  Fritzsche // A. Stolle

Plasmonisch aktive Metallnanopartikel, insbesondere Goldnanopartikel, stellen interessante Materialien für zahlreiche Anwendungen, wie Plasmon-basierte Sensoren, oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (engl. Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) oder auch als aktive Zentren in der Katalyse dar. Gerade für das letztgenannte Forschungsgebiet bieten sie zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Katalysatoren. So handelt es sich bei der plasmonisch induzierten Katalyse um einen photokatalytischen Prozess. Es ist kein hoher Energieeintrag für eine Temperierung notwendig, wie das bei bisherigen thermisch aktivierten Katalysatoren nötig war. Besonders effizient kann dann gearbeitet werden, wenn Sonnenlicht als Energiequelle zum Einsatz kommt. Daraus ergibt sich ein „schaltbarer“ Katalysator, der je nach Gebrauch durch Bestrahlung mit resonanten Wellenlängen instantan aktiviert oder auch durch Abschaltung des Lichtes deaktiviert werden kann. Ein Vorteil gegenüber Photokatalysatoren wie TiO2oder ZnO2liegt in der Absorption bei Wellenlängen des VIS-Bereiches. Je nach Größe und Form der Goldnanopartikel können so weite Bereiche des Lichtspektrums zur Anregung genutzt werden. 

 

Wie lassen sich Goldnanopartikel für Plasmonkatalyse nutzbar machen? Unter anderem mit dieser Fragestellung hat sich das Teilprojekt 6 der Wachstumskern-Initiative „pades“ (FKZ 03WKCN06) beschäftigt. Pades – Partikeldesign Thüringen – ist ein BMBF-geförderter Verbund Verbund regionaler Forschungseinrichtungen und Unternehmen, die sich in mehreren Verbundprojekten den Themen Partikeldesign und -anwendung widmen. Im Projekt 6 bündelt die Expertise von vier Partnern aus Industrie und Forschung zur Entwicklung und Testung (in Modellsystemen) von Metallnanopartikeln für die plasmonisch induzierte Abluftreinigung. Um die Katalysatoroberfläche zu erhöhen und so eine Vielzahl der Nanopartikel als aktive Zentren aufbringen zu können war geplant, die Metallnanopartikel auf poröses Glas aufzubringen,. Hierbei war das Leibniz-IPHT mit der Synthese und Charakterisierung der nanoskaligen Katalysatoren betraut, die Firma HEGLA-Boraident Halle/Saale mit der Herstellung des porösen Glases und der Trägerplatten für die Katalysatoren, das Institut für Technische Chemie und Umweltchemie (ITUC) der Friedrich-Schiller-Universität Jena mit der Testung der gewonnen Katalysatoren in einem Laborreaktor in der Modellreaktion des plasmonisch induzierten Ethanol-Abbaus,, und die Jenoptik Automatisierungstechnik GmbH Jena mit der Simulation des Testsystems und ebenfalls der katalytischen Testung. Zunächst erfolgte der Aufbau einer Labortestanlage und eines Photoreaktors, welcher auf der Nutzung von Goldnanopartikeln auf einem 15×15 cm Glassupport basiert, welcher wiederum in einer Fläche von 10×10 cm mit porösem Glas und Nanopartikeln beschichtet wurde. Das konzipierte System ergab eine effiziente Ausnutzung des eingestrahlten Lichtes der verwendeten Xenon-Bogenlampe, da deren Strahlengang direkt auf die Katalysatorplatte trifft. Eine Herausforderung stellte die  homogene Beschichtung einer derart großen Fläche mit Goldnanopartikeln dar, zumal das poröse Glas einen unebenen Untergrund darstellt. Zur Realisierung derartiger Katalysatorplatten sind zahlreiche Schritte nötig: Beschichten einer passenden Glasplatte mit porösem Glas, Synthese der Goldnanopartikel in der gewünschten Größe, Aktivierung des porösen Glases zur ausreichenden Bindung der Nanopartikel, und letztendlich das sorgfältige Coaten des Glases mit den Nanopartikeln. Zusammengenommen sind diese Prozesse zeit- und stoffintensiv, da unterschiedliche Chemikalien erforderlich sind, einschliesslich eines relativ großen Volumens Goldpartikellösung.

 

Um die Herstellung des Katalysatoraufbaus durch Reduktion der erforderlichen Arbeitsschritte wie auch Verringerung des Materialbedarfs zu vereinfachen, wurde poröses Glas mit der erforderlichen Menge HAuCl4in einer Schwingkugelmühle bei geringer Leistung zu einem feinen Pulver vermahlen, und dieses als Katalysatorprecursor auf eine Glasplatte direkt mittels Lasersintern aufgebracht. Die Laserbestrahlung dabei sollte die Partikel aus dem Metallsalz durch Reduktion generieren. Machbarkeitsstudien des Verfahrens auf Objektträgern ergaben eine gute Homogenität sowie gleichmäßige, intensiv weinrote Färbung der aufgesinterten Metall-Glasschichten, und damit einen Hinweis auf die Goldnanopartikel-Bildung (Abb. 1). Es zeigte sich, dass die Ausgangsporosität der verwendeten porösen Gläser (1-2, 50, 100, 200 und 370 nm) nicht erhalten bleibt und sich stattdessen Poren in einer Größenordnung im µm-Bereich bilden. Durch unterschiedliche Analyseverfahren (UV/VIS, XRD, REM) konnte die Entstehung von Goldnanosphären mit einem mittleren Durchmesser von 30 nm und hoher Partikeldichte auf der Oberfläche dieser Katalysatorplatten nachgewiesen werden. 

Testung der so hergestellten Katalysatorplatten unter Nutzung der Abbaureaktion des Modellkontaminanten Ethanol bestätigte die katalytische Aktivität der Platten. Ein Umsatz von Ethanol zu CO2von bis zu 30 % gelingt initial, bevor sich ein zeitlich stabiler Abbaugrad von ca. 5 % einstellt, verbunden mit der Bildung von 2 % CO2(Abb. 2) 

Somit konnte eine schnelle und effektive Methode entwickelt werden, Katalysatoren für die Plasmonenkatalyse in der Gasphase herzustellen. Trotz des Einsatz von Goldverbindungen ist die Methode außerordentlich preiswert, betrachtet man den Kostenfaktor der Goldchlorsäure, welcher sich hier nur auf einen Betrag im Centbereich (0.15-0.76 €) pro Substrat beläuft. Die katalytische Aktivität war hinreichend hoch für eine Abbau des Kontaminanten.

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