Photokatalytische

Photokatalytische Prozesse, oft Photokatalyse genannt, beschreiben die Beschleunigung chemischer Reaktionen durch einen Katalysator, der durch Licht aktiviert wird. Bei einem typischen Halbleiterkatalysator erzeugt die Lichtabsorption Elektronen-Loch-Paare; diese Trägerpaare treiben Redoxreaktionen an, wodurch Schadstoffe abgebaut oder Wasserstoff durch Wasserspaltung gewonnen werden kann. Der Katalysator bleibt in der Regel unverändert, solange er vor Deaktivierung geschützt ist.

Typische Katalysatoren sind Halbleiter wie Titandioxid (TiO2), Zinkoxid (ZnO) und graphitartige Kohlenstoffnitrid-Verbindungen (g-C3N4). TiO2 ist stabil und weit verbreitet, besitzt jedoch ein Bandgap von ca. 3,2 eV, wodurch hauptsächlich UV-Licht genutzt wird. Um sichtbares Licht auszunutzen, werden Dotierung, Kompositbildung, Heterojunctions oder plasmonische Nanopartikel eingesetzt, um das Spektrum zu erweitern und die Ladungsträgertrennung zu verbessern.

Anwendungen umfassen Umwelt- und Wasserreinigung, Luftreinhaltung, antibakterielle Oberflächen, selbstreinigende Beschichtungen sowie photo-katalytische Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff oder zur CO2-Reduktion.

Historisch ging der Begriff mit der wegweisenden Arbeit von Fujishima und Honda 1972 einher, die die wasser-spaltende Photoelektrochemie auf TiO2 demonstrierten. Derzeit ist TiO2 der am weitesten verbreitete Katalysator; Herausforderungen bleiben die effiziente Nutzung des gesamten Sonnenspektrums, die Rekombination von Ladungsträgern, Stabilität sowie Skalierung und Kosten.