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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-65391
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2013/6539/


Entwicklung von Titandioxid-basierten Photokatalysator-Systemen zur Reduktion von CO2

Suffner, Lena

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SWD-Schlagwörter: Titandioxid , Photokatalyse , Photoreduktion , Kohlendioxid
Freie Schlagwörter (Englisch): Titanium dioxide, photocatalysis, photoreduction, carbon dioxide
Basisklassifikation: 35.16 , 35.17 , 35.74
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Luinstra, Gerrit A. (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.2013
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 18.12.2013
Kurzfassung auf Deutsch: Die Entwicklung eines Photokatalysator-Systems auf Basis von Titandioxid-Nanopartikeln zur Umwandlung von CO2 unter Verwendung von Sonnenenergie ist das Ziel dieser Arbeit. Die Modifizierung von Titandioxid mit Edelmetallen oder Photosensibilisatoren sowie die Kopplung mit anderen Halbleitern oder CO2-reduzierenden Enzymen wurde verfolgt, um eine Steigerung der photokatalytischen Aktivität zu erreichen. Die Edelmetalle Gold und Platin wurden erfolgreich auf Titandioxid-Nanopartikeln in Form von Clustern mit Durchmessern von 1-12 nm und Metallbeladungen von 1-10 Gew% abgeschieden. Die photokatalytische Aktivität von TiO2-Nanopartikeln wurde durch die Edelmetall-Modifizierung um das 5fache gesteigert. Die Photosensibilisierung von Titandioxid mit organischen Farbstoffen resultierte in keiner weiteren Aktivitätssteigerung. Die Bestrahlung von TiO2-Au und TiO2-Pt Nanopartikeln resultierte in einem schnellen Transfer von Elektronen auf Akzeptormoleküle wie Methylenblau oder Methylviologen.
Die Photokatalyse mit TiO2-Nanopartikeln und CO2-reduzierenden Enzymen wie Kohlen-monoxid Dehydrogenase und Formiat Dehydrogenase wurde im Hinblick auf eine mögliche Erhöhung der Aktivität durch Kombination der spezifischen Eigenschaften beider Reaktionspartner untersucht. Die Umsetzung von CO2 war mit dem kombinierten System aus Nanopartikeln und Enzymen geringer im Vergleich zu Aktivitäten, die mit den einzelnen Reaktionspartnern erreicht werden konnten.
CO2 konnte durch Halbleiter katalysierte Reaktionen als Rohstoff für weitere chemische Umsetzungen zugänglich gemacht werden. Die photokatalytische Reduktion von CO2 zu CO wurde durch gezielte Variation der Reaktionsparameter wie Katalysatorkonzentration, Metallbeladung auf TiO2, pH-Wert und geeignete Wahl des Elektrolyten optimiert. TiO2-Nanopartikel mit Metallanteilen von 3 Gew% Gold und 5 Gew% Platin zeigten hohe Aktivitäten für die CO2-Reduktion von 5-6 µmol CO h 1 mg-1 in Tris(hydroxymethyl)-amino-methan-Puffer bei pH 7,8. Die Sol-Gel-Abscheidung von sphärischen, monodispersen TiO2-Nanopartikeln (~ 10 nm) auf SiC-Partikeloberflächen ermöglichte die Darstellung von SiC-TiO2 Kompositen. Die erhaltenen SiC-TiO2 Komposite zeigten Umsatzraten von bis zu 5 µmol CO h 1 mg-1. Die höchste Aktivität für die CO-Bildung von 24 µmol h 1 mg-1 wurde mit SiC-Nanopartikeln erreicht.
Kurzfassung auf Englisch: The utilization of sunlight as energy source for the reduction of CO2 is highly desirable with regard to resource and energy management. The development of a semiconductor-based photocatalytic system for the conversion of CO2 by solar energy is the aim of this research project. Several techniques are applied to tune the photocatalytic activity of titanium dioxide. This includes noble metal deposition, photosensitization, semiconductor and enzyme coupling. The noble metals gold and platinum were deposited on TiO2 nanoparticles as clusters in size range of 1-12 nm and with metal loadings of 1-10 wt%. The photocatalytic activity of TiO2 could be increased by noble metal modification to the level of 500% of the maiden TiO2. TiO2 nanoparticles sensitized with organic dyes showed lower activity. The irradiation of TiO2-Au and TiO2-Pt nanoparticles leaded to fast electron transfer to acceptors like methylene blue or methyl viologen.
The specific properties of TiO2 nanoparticles and CO2-reducing enzymes like carbon monoxide dehydrogenase and formate dehydrogenase were combined to a photoredox system. The conversion of CO2 was lower for the enzyme-coupled photosystem compared to activities that can be achieved for single catalysts of TiO2 nanoparticles or enzymes.
CO2 could be efficiently converted into CO by photocatalytic reduction at TiO2-Au or TiO2-Pt nanoparticles. Conversion rates were optimized by varying parameters like catalyst concentration, metal loading on TiO2, pH value and appropriate choice of electrolyte system. TiO2 nanoparticles with metal loadings of 3 wt% gold or 5 wt% platinum gave high activities for CO2 reduction of 5-6 µmol CO h 1 mg-1 in tris(hydroxymethyl)aminomethane buffer at pH 7,8. Spherical monodisperse TiO2 nanoparticles with an average size of 10 nm were deposited on SiC nanoparticles by sol-gel synthesis. The obtained SiC-TiO2 composites gave activities of 5 µmol CO h 1 mg-1. SiC nanoparticles showed highest turnover rates of 24 µmol CO h 1 mg-1.

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