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Wasser mit Licht desinfizieren
Der Zugang zu sauberem Trinkwasser ist für die Menschen in Entwicklungsländern ein anhaltendes Problem. Und selbst Städte mit guten Wasseraufbereitungssystemen suchen nach besseren Wegen, um sichereres und saubereres Wasser zu liefern. Nun hat ein internationales Forscherteam einen Photokatalysator entwickelt, der eine schnelle und effektive Wasserdesinfektion mit Sonnen- oder Kunstlicht verspricht. Darüber hinaus arbeitet der Photokatalysator auch nach dem Ausschalten des Lichts weiter und desinfiziert das Wasser auch im Dunkeln.
Sauber kommen: Eine mikroskopische Aufnahme zeigt die Oberfläche eines lichtaktivierten Katalysators, der Wasser auch im Dunkeln desinfiziert. Palladium-Nanopartikel auf der Oberfläche eines stickstoffdotierten Titanoxids helfen, die Desinfektionskraft des Katalysators auf bis zu 24 Stunden zu verlängern.
Es ist seit langem bekannt, dass die Bestrahlung von Wasser mit hochintensivem ultraviolettem Licht Bakterien abtötet. Einige Wasserfilter, die beispielsweise für Camper und Wanderer entwickelt wurden, verwenden diese Technologie. Forscher haben daran gearbeitet, die Wirksamkeit der Methode zu verbessern, indem sie einen Photokatalysator hinzugefügt haben, der durch UV-Licht aktiviert wird und reaktive chemische Verbindungen erzeugt, die Mikroben in Kohlendioxid und Wasser abbauen.
Der neue Photokatalysator verbessert dies, indem er sichtbares Licht anstelle von UV-Licht verwendet. Synthetisiert von Jian-Ku Shang , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of Illinois, Urbana-Champaign, und seinen Kollegen arbeitet der Photokatalysator mit Licht im sichtbaren Spektrum – Wellenlängen zwischen 400 und 550 Nanometern. Es besteht aus Fasern aus Titanoxid – einem üblichen Material, das als weißes Pigment verwendet wird –, das mit Stickstoff dotiert ist, damit es sichtbares Licht absorbiert. Allein das stickstoffdotierte Titanoxid tötet Bakterien ab, wenn auch nicht effizient. Die Forscher fügten der Oberfläche der Fasern Palladium-Nanopartikel hinzu, was die Wirksamkeit der Desinfektion deutlich steigerte. Er und seine Kollegen vom Shenyang National Laboratory for Materials Sciences in China veröffentlichten ihre Arbeit online im Zeitschrift für Materialchemie .
Es wäre sehr schön, die Aktivität der traditionellen [Photokatalysator]-Materialien, die nur durch ultraviolette Strahlung aktiviert wurden, ins Sichtbare zu verlagern, sagt Alexander Orlov, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik an der Stony Brook University in New York. Wenn Sie sich die Sonnenspektren ansehen, enthält es nur 5 Prozent Ultraviolett und etwa 46 des sichtbaren. Solche Photokatalysatoren würden eine effizientere Nutzung der Sonnenenergie sowie eine Verwendung in Innenräumen ermöglichen, da fluoreszierende Beleuchtung sehr wenig ultraviolettes Licht enthält.
Shang und seine Kollegen testeten den Photokatalysator, indem sie ihn in eine Lösung mit einer hohen Konzentration von E coli Bakterien und dann eine Halogen-Schreibtischlampe unterschiedlich lange auf die Lösung richten. Nach einer Stunde sank die Bakterienkonzentration von 10 Millionen Zellen pro Liter auf nur noch eine Zelle pro 10.000 Liter.
Die Forscher testeten auch die Fähigkeit des Photokatalysators, im Dunkeln zu desinfizieren. Sie belichteten die Fasern 10 Stunden lang, um die Belichtung mit Tageslicht zu simulieren, und lagerten sie dann für verschiedene Zeiten im Dunkeln. Auch nach 24 Stunden tötete der Photokatalysator noch Bakterien ab. Tatsächlich reichten nur wenige Minuten Beleuchtung aus, um den Photokatalysator für diese Zeitdauer aktiviert zu halten.
Wenn Sie einen Photokatalysator haben, wird die Aktivität normalerweise fast sofort beendet, wenn das Licht ausgeschaltet wird, sagt Shang. Die von Ihnen erzeugte chemische Spezies hält nur wenige Nanosekunden an. Dies ist ein intrinsischer Nachteil eines photokatalytischen Systems, da Sie im Wesentlichen die ganze Zeit eine Lichtaktivierung benötigen.
Die Palladium-Nanopartikel steigern die Leistung des Photokatalysators auf zwei Arten. Wenn Photonen auf das Material treffen, erzeugen sie Paare positiver und negativer Ladungen – Löcher und Elektronen. Die positiv geladenen Löcher auf der Oberfläche des stickstoffdotierten Titanoxids reagieren mit Wasser zu Hydroxylradikalen, die dann Bakterien angreifen. Was Palladium-Nanopartikel tun, ist, dass sie Elektronen wegnehmen, sodass die meisten der Löcher, die Sie erzeugen, überleben können, ohne von Elektronen neutralisiert zu werden, sagt Shang.
Sobald sie die Elektronen aufnehmen, gehen die Nanopartikel in einen anderen chemischen Zustand über und speichern die negativen Ladungen. Wenn das Licht ausgeschaltet wird, wird diese Ladung langsam freigesetzt, und diese langsame Freisetzung gibt uns diesen Memory-Effekt, sagt Shang. Diese Ladung kann mit Wassermolekülen reagieren, um wieder Oxidationsmittel zu produzieren. Er sagt, dass Nanopartikel anderer Übergangsmetalle wie Silber die Wirksamkeit des Photokatalysators ebenfalls erhöhen.
Der Photokatalysator bietet die Möglichkeit, tagsüber mit voller Leistung zu desinfizieren und dann nachts oder bei Stromausfällen weiterzuarbeiten. Da die Desinfektion schnell erfolgt, könnten Systeme außerdem so konzipiert werden, dass sie große Wassermengen reinigen, indem sie Licht ausgesetzt werden, während das Wasser durch Rohre fließt, sagt Shang.