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Main Title: TiO 2 -Beschichtungen zur Herstellung von photokatalytisch modifizierten SiO 2 - TiO 2 -Kompositmaterialien
Translated Title: TiO 2 -coatings for the preparation of photocatalytically modified SiO 2 -TiO 2 -composite materials
Author(s): Kamaruddin, Sameena
Advisor(s): Stephan, Dietmar
Referee(s): Stephan, Dietmar
Faust, Rüdiger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät VI - Planen Bauen Umwelt
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Photokatalytisch modifizierte Materialien, insbesondere aus dem Baubereich rücken stärker in den Fokus wissenschaftlicher Betrachtungen. Diverse Studien haben die Wirksamkeit der TiO2-Photokatalyse in Bezug auf den Abbau verschiedener Schadstoffe belegt. Baustoffe wie Dachziegel, Pflastersteine oder Fassadenfarben, die Gebrauch von den luft- und selbstreinigenden Eigenschaften von TiO2 machen, sind bereits auf dem Markt erhältlich. TiO2 modifizierte Materialien sind jedoch relativ kostenintensiv. Ein weiteres Problem bezieht sich auf die Partikelgröße des verwendeten TiO2, welche für gewöhnlich im nanoskaligen Maßstab liegt. Nanopartikel tendieren zu Agglomeration, was zu einer Verringerung der spezifischen Oberfläche führen kann und dadurch auch zu einer Verringerung der photokatalytisch wirkenden Oberfläche im Fall von TiO2. Aus diesem Grund ist das Interesse an einer wirtschaftlichen Lösung durch effizienteren Materialeinsatz groß. Ein potentieller Lösungsansatz ist die Anwendung von photokatalytischen Kompositmaterialien mit einstellbarer Partikelgröße die auf dem Core-Shell Prinzip beruhen. Sie bestehen in diesem Fall lediglich aus einer dünnen Beschichtung des Photokatalysators auf der Oberfläche eines günstigeren Substrates. Diese Arbeit zielt daher auf die Herstellung und Charakterisierung derartiger photokatalytisch modifizierter Komposite ab. Auf Basis kostengünstiger Ausgangsstoffe wurden SiO2-Substrate mit TiO2 beschichtet. Eine systematische Studie wurde durchgeführt, welche zunächst mit einer relativ teuren organischen TiO2-Vorläuferverbindung und monodispersen SiO2-Partikeln begann und dann zu den kostengünstigen großtechnisch verfügbaren Materialien überging. Tetrapropylorthotitanat und Titanylsulfat aus dem industriellen Sulfatprozess wurden als TiO2-Vorstufen verwendet. Häufig im Beton und Mörtel eingesetzte Bauzusatzstoffe (Silikastaub, Quarzmehl und Sand) dienten als Substrate. Faktoren wie z.B. die Hydrolysezeit, die Säurekonzentration und die Kalzinationstemperatur wurden variiert, um die Einflüsse auf die Materialeigenschaften zu analysieren. Die Komposite wurden u.a. mittels REM, RFA, XRD und BET charakterisiert. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine erfolgreiche Synthese der Kompositmaterialien möglich ist. Weiterhin konnte in den meisten Fällen eine gezielte Zusammensetzung des SiO2/TiO2-Verhältnisses eingestellt werden. Alle Materialien zeigten eine photokatalytische Aktivität auf, die anhand des Abbaus von NO-Gas oder Methylenblau bei UV-Strahlung nachgewiesen werden konnte. Im Vergleich zum industriellen Referenzmaterial P25, konnten teilweise sogar höhere Photoneneffizienzen erreicht werden. Dies bekräftigt die Verwendung von derartigen Kompositmaterialien als alternativen Photokatalysator.
Photocatalytically modified materials especially in the construction engineering field turn more and more to scientist’s attention. Diverse studies have approved TiO2 photocatalysis to be very effective in the degradation of various kinds of pollutants. Constructional applications (like roof tiles, paving stones, cement etc.) are already available on the market which are making use of the air-purifying and self-cleaning characteristics of TiO2. However TiO2 modified materials are comparatively high in price. Another problem relates to the size of the TiO2 particles used in such materials, which is commonly in the nanoscale. Nanoparticles tend to agglomeration which can reduce the specific surface and hence the photocatalytic active surface in the case of TiO2. Therefore it is of keen interest to find an economical solution by efficient material usage. One way is the implementation of photocatalytically modified composite materials with tuneable particle sizes based on the core-shell principle. They only consist of a thin coating of the photocatalyst on a cheaper substrate. This work reports about the preparation of such photocatalytically modified composites. Based on low-priced raw materials SiO2-substrates were coated with TiO2. A systematic study starting with a relatively expensive organic TiO2-precursor and monodisperse SiO2-particles and switching over to the low cost industrial materials was performed. Tetrapropylorthotitanate and Titanylsulfate of industrial purity grade were used as the titania-precursors and common construction aggregates (silica fume, ground quartz and sand) for mortar and concrete were used as substrates. The hydrolysis time, acidity and calcination temperature for instance were varied to study the influence on the characteristics of the coated particles. The composites were characterized via SEM, XRF, XRD and BET amongst others. The results showed that a successful synthesis of TiO2-modified composites was possible. Moreover a specific composition of SiO2 and TiO2 was adjustable in most cases. All samples showed photocatalytic activity verified via the degradation of NO-gas or methyleneblue under UV-A light. In comparison with the reference material P25, some of the composites showed higher photonic efficiencies. This confirms the potential of such composite materials as an alternative photocatalyst.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-70780
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4951
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4654
Exam Date: 14-Jul-2015
Issue Date: 24-Aug-2015
Date Available: 24-Aug-2015
DDC Class: 691 Baustoffe
Subject(s): Kern-Schale-Materialien
Photokatalyse
Titandioxid
Core-shell-materials
Photocatalysis
Titaniumdioxide
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