Bi-superkatalysatoren

Photokatalysatoren ermöglichen durch Anregung mit Lichtenergie eine chemische Reaktion ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Piezoelektrische Katalysatoren werden durch mechanische Einwirkung wie Druck oder Zug angeregt. In beiden Fällen kommt es bei Anregung des Katalysators zur Trennung von Ladungsträgern auf der Katalysatoroberfläche, was zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies wie Hydroxylradikalen OH• und Hyperperoxidanionen O₂•^– in wässriger Umgebung führen kann. Aus diesen Radikalen können weitere reaktive Sauerstoffspezies wie Hydroperoxylradikale HOO• und Wasserstoffperoxid H₂O₂ entstehen [1]. Wasserstoffperoxid kann durch Fenton-Reaktion wieder in zwei Hydroxylradikale gespalten werden. Die gebildeten Radikale haben typischerweise eine geringe Lebensdauer und reagieren unmittelbar mit Substraten in der unmittelbaren Umgebung. Sie haben dabei z.B. eine inaktivierende Wirkung auf Mikroorganismen und können organische Verbindungen oxidieren und dadurch abbauen [2]. Das Hydroxylradikal OH• ist mit einem Oxidationspotenzial von 2,8 V (vs. SHE) die reaktivste Sauerstoffspezies und damit für oxidative Abbauprozesse besonders interessant [3].

Piezokatalysatoren sind Kristallsysteme mit einer nicht-zentrosymmetrischen Kristallstruktur wie z.B. Perowskite[9]. Durch mechanische Deformation kommt es zur Trennung von Ladungsträgern und Ausbildung eines piezoelektrischen Feldes. Dadurch kann die Bandlückenstruktur und die Oberflächenladungsverteilung eines Piezokatalysators verändert werden [10]. Zu den am meisten untersuchten Piezokatalysatoren gehören Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Bariumtitanat (BaTiO₃) und Zinkoxid (ZnO) [10,11].

Bi-Super-Katalysatoren vereinen die Eigenschaften von piezoelektrischen Katalysatoren und Photokatalysatoren und lassen sich sowohl mechanisch z.B. durch Ultraschallimpulse als auch durch UV-Strahlung anregen. Durch die Kombination von piezoelektrischen Materialen mit photokatalytischen Systemen kann die Effizienz, und Stabilität von photokatalytischen Reaktionen verbessert werden. So kann z.B. die Rekombinationsrate der Ladungsträger verringert werden, da in angeregten piezoelektrischen Materialien ein internes piezoelektrisches Feld vorhanden ist, welches die Elektronen und Elektronenlöcher stabilisiert.

Im Rahmen des Projektes werden neuartige photo-piezokatalytisch aktive Bi-Super-Katalysatormaterialien hergestellt, die die effiziente und kontinuierliche Generierung reaktiver Sauerstoffspezies ermöglichen. Die Anregung der Katalysatoren erfolgt einerseits mit Licht (z.B. UV-A), welches mit einem besseren Wirkungsgrad und kostengünstigeren Anregungsquellen als UV-C-Licht produziert werden kann. Zudem unterliegt UV-A-Licht einer geringeren Absorption durch die zu behandelnden wässrigen Medien und erlaubt damit deren effizientere Behandlung. Die Anregbarkeit der Bi-Super-Katalysatoren durch Ultraschall- oder Hochdruckimpulse ermöglicht darüber hinaus die Behandlung von organisch hoch belasteten Wasserqualitäten, die aufgrund von Trübung oder hoher Extinktion (Lichtabschwächung) nur schlecht für eine aktinische Behandlung zugänglich sind.

[1] Kumar, P.; Vaish, R.; Sung, T. H.; Hwang, W.; Park, H. K. B.; Kumar, A.; Kebaili, I.; Boukhris, I. Effect of Poling on Photocatalysis, Piezocatalysis, and Photo–Piezo Catalysis Performance of BaBi4 Ti4 O15 Ceramics. Glob. Chall. 2023, 7 (2), 2200142. https://doi.org/10.1002/gch2.202200142.

[2] Sharma, A.; Bhardwaj, U.; Jain, D.; Kushwaha, H. S. NaNbO3/ZnO Piezocatalyst for Non-Destructive Tooth Cleaning and Antibacterial Activity. iScience 2022, 25 (9), 104915. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104915.

[3] Guerra-Rodríguez, S.; Rodríguez, E.; Singh, D.; Rodríguez-Chueca, J. Assessment of Sulfate Radical-Based Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment: A Review. Water 2018, 10 (12), 1828. https://doi.org/10.3390/w10121828.

[4] Ishibashi, K.; Nosaka, Y.; Hashimoto, K.; Fujishima, A. Time-Dependent Behavior of Active Oxygen Species Formed on Photoirradiated TiO2 Films in Air. J. Phys. Chem. B 1998, 102 (12), 2117–2120. https://doi.org/10.1021/jp973401i.

[5] Khan, Y.; Khan, M. N.; Salam, A.; Sadia, H.; Ullah, M. F.; Khan, M. I.; Abdullaeva, B. S.; Awwad, F. A.; Ismail, E. A. A. Photocatalytic Treatment of Organic Dyes Using Metal Oxides and Nanocomposites: A Quantitative Study. Open Chem. 2024, 22 (1), 20240026. https://doi.org/10.1515/chem-2024-0026.

[6] Zhang, L.; Mohamed, H. H.; Dillert, R.; Bahnemann, D. Kinetics and Mechanisms of Charge Transfer Processes in Photocatalytic Systems: A Review. J. Photochem. Photobiol. C Photochem. Rev. 2012, 13 (4), 263–276. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.07.002.

[7] Hernández-Alonso, M. D.; Fresno, F.; Suárez, S.; Coronado, J. M. Development of Alternative Photocatalysts to TiO2: Challenges and Opportunities. Energy Environ. Sci. 2009, 2 (12), 1231. https://doi.org/10.1039/b907933e.

[8] Akakuru, O. U.; Iqbal, Z. M.; Wu, A. TiO2 Nanoparticles: Properties and Applications.

[9] Nkwachukwu, O. V.; Arotiba, O. A. Perovskite Oxide–Based Materials for Photocatalytic and Photoelectrocatalytic Treatment of Water. Front. Chem. 2021, 9, 634630. https://doi.org/10.3389/fchem.2021.634630.

[10] Jiang, T.; Wang, Y.; Cai, C.; Nie, C.; Peng, H.; Ao, Z. Piezocatalysis for Water Treatment: Mechanisms, Recent Advances, and Future Prospects. Environ. Sci. Ecotechnology 2025, 23, 100495. https://doi.org/10.1016/j.ese.2024.100495.

[11] Qurbani, K.; Amiri, O.; Hamzah, H. Piezocatalysts as Antimicrobial Agents: A Promising Frontier in Pathogenic Bacteria Control. J. Hazard. Mater. Adv. 2025, 17, 100546. https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2024.100546.