Bandlückenoptimierte gemischte Perowskit- und Mullit-Typ Photokatalysatoren im sichtbaren Bereich zur Schmutzwasserreinigung

• Antragsteller: Professor Dr. Thorsten Michael Gesing
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461295486

Das vorgeschlagene Projekt optimiert Materialien mit schmaler Bandlücke für eine verbesserte photokatalytische Aktivität unter Verwendung einer Kombination von Verbindungen des Perowskit- und Mullit-Typs. BiFeO3- und Bi2Fe4O9-Strukturen des Perowskit-Typs weisen sowohl hohe photokatalytische Aktivitäten auf und oxidieren organische Schadstoffe, z.B. in Schmutzwasser, unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht zu Kohlendioxid und Mineralsäuren. Es ist möglich, Fe3+ durch andere Kationen wie Al3+, Ga3+ und Mn3+ zu ersetzen, die ebenfalls photokatalytische Aktivität zeigen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Fülle fester Lösungen zu untersuchen, indem die M-Kationen (M = Al3+, Ga3+, Mn3+) systematisch ausgetauscht werden, um einen Zusammenhang zwischen Zusammensetzung, Bandlücke und der höchstmöglichen photokatalytischen Aktivität herzustellen. Bei den zu untersuchenden Materialien handelt es sich hauptsächlich um Bi2M4O9-Strukturen. Explorative Arbeiten zur Bi2Mn4O10-Struktur und verwandten Strukturen / Zusammensetzungen sind jedoch ebenfalls geplant. Unsere jüngsten Experimente haben gezeigt, dass das Design quantenkristalliner Materialien zu einer Co-Kristallisation von metastabilem (Bi1-xFex)FeO3 und Bi2Fe4O9 führt. Dieser Befund bietet die Möglichkeit, zwei verschiedene photokatalytisch aktive Strukturen innerhalb einer Matrix zu bilden, was zu einer Pseudo-Einzel-Excitonen-Stabilisierung analog der bekannten TiO2 Rutil/Anatas-Mischung führt. Unter Verwendung verschiedener Syntheserouten wie der Glycerin-Methode, der Polyol-Methode, der PVA-Methode und der Flammensprühpyrolyse können unterschiedliche Partikelgrößen, Kristallitgrößen sowie Morphologien und Perowskit/Mullit-Typ-Verhältnisse hergestellt werden. Die Materialien werden durch diffuses Reflexionsvermögen, UV / Vis-Spektroskopie, Röntgenpulverbeugung (XRPD), Infrarot- (IR) und Raman-Spektroskopie, dynamische Lichtstreuung (DLS), Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und mikroskopische Methoden (TEM, SEM und EDX). Für ausgewählte Proben guter Qualität wird die photokatalytische Aktivität bestimmt, wofür eine entsprechende Fließzelle als Testsystem gebaut und genutzt wird. Die dabei entstehenden Zersetzungsprodukte werden ebenso wie durch potenzieller Materialabrieb auf ihre Toxizität hin untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Argentinien
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Rainer Adelung; Professor Dr. Ralf Dringen
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Cecilia B. Mendive