Photokatalyse
Photokatalyse bezeichnet die Änderung der Geschwindigkeit oder die Initiierung einer chemischen Reaktion unter dem Einfluss von ultravioletter Strahlung, sichtbarer Strahlung oder Infrarotstrahlung. Die Strahlungsenergie wird dabei von einem Katalysator adsorbiert und in chemische Energie zur Umwandlung beteiligter Reaktionspartner umgewandelt.
Photokatalytischer Effekt
Abbildung 1 zeigt den photokatalytischen Effekt schematisch am Beispiel der photokatalytischen Wasserspaltung.
Als Katalysatoren kommen Halbleiter infrage, die eine energetische Bandlücke (DEg) zwischen dem mit Elektronen besetzten Valenzband (VB) und dem unbesetzten Leitungsband (LB) besitzen. Ist die Energie der elektromagnetischen Strahlung größer als die Bandlücke, können Elektronen (e-) aus dem Valenzband (VB) des Katalysators in das Leitungsband (LB) angeregt werden. Durch diesen Übergang bleibt eine positiv geladene Fehlstelle (h+) im Valenzband des Katalysators zurück. An dieser Fehlstelle kann nun eine Oxidationsreaktion stattfinden, z. B. die Bildung von Sauerstoff aus Wasser. Das angeregte Elektron kann wiederum Reduktionsreaktionen induzieren, z. B. die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff.
In Konkurrenz zur Initiierung einer chemischen Reaktion steht die einfache Rekombination. Hierbei fällt das zunächst angeregte Elektron wieder in das Valenzband des Halbleiters zurück, sodass keine Reaktion stattfinden kann. Die Vermeidung der Rekombination sowie die Anregung des Katalysators mit Licht des sichtbaren Bereichs sind die großen Herausforderungen im Bereich der Entwicklung von Photokatalysatoren.
Die Tabelle listet exemplarisch einige Halbleiter auf, die bereits als Photokatalysatoren eingesetzt werden oder prinzipiell als Photokatalysatoren in Frage kommen.
| Halbleiter | Summenformel | Bandlücke in eV |
|---|---|---|
| Zinksulfid | ZnS | 3,6 |
| Kaliumtantalat | KTaO3 | 3,4 |
| Titandioxid | TiO2 | 3,0 |
| Galliumphosphid | GaP | 2,3 |
| Cadmiumselenid | CdSe | 1,7 |
Die Photokatalyse findet Anwendung in der Abwasserreinigung und der Selbstreinigung von Außenfassaden. Intensive Forschung findet in den Bereichen der photokatalytischen Wasserspaltung und der photokatalytischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid statt.
Englische Übersetzung(en):
photocatalysis
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