Sauberes Wasser unter der Halogenlampe

Ein internationales Forschungsteam hat einen Photokatalysator entwickelt, der Wasser nicht nur mit UV-, sondern auch mit sichtbarem Licht desinfizieren kann. Und er arbeitet sogar weiter, wenn das Licht verloschen ist.

Ein drängendes Problem ist in vielen Weltgegenden die Versorgung mit sauberem Trinkwasser. Auch manche Städte mit einer an sich guten Wasserversorgung suchen nach besseren Verfahren, Trinkwasser aufzubereiten. Ein internationales Forschungsteam hat hierfür eine erfreulich einfache Lösung entwickelt: einen Photokatalysator, der Wasser sowohl mit Sonnenlicht als auch mit künstlichem Licht desinfizieren kann. Und er arbeitet sogar weiter, wenn das Licht verloschen ist.

Dass man Bakterien in Wasser mit intensiver UV-Bestrahlung abtöten kann, ist schon lange bekannt. Manche Camping-Wasserfilter nutzen das Verfahren. Seine Wirkung lässt sich steigern, wenn man Photokatalysatoren hinzufügt, die – von UV-Licht aktiviert – chemische Reaktionen in Gang setzen, die Mikroben in Kohlendioxid, Wasser und andere Verbindungen zerlegen.

Der neue Photokatalysator hingegen kommt auch ohne UV-Licht aus: Bei Wellenlängen sichtbaren Lichts zwischen 400 und 550 Nanometern wird er ebenfalls aktiviert. Er besteht aus Titandioxid-Fasern, deren Struktur mit Stickstoff dotiert ist. Diese Mischung tötet zwar Bakterien, aber nicht besonders effektiv. Die Gruppe um Jian Ku Shang, Materialwissenschaftler an der Universität von Illinois, fügte deshalb noch Nanopartikel aus Palladium hinzu. Auf der Oberfläche der Fasern sitzend, erhöhen sie die Wirkung des Katalysators beträchtlich. Zusammen mit Forschern vom Shenyang Nationallabor für Materialwissenschaften in China hat Shang die Arbeit im Journal of Materials Chemistry veröffentlicht.

„Die Aktivität vom ultravioletten in den sichtbaren Wellenlängenbereich zu verschieben, wäre eine gute Sache“, sagt Alexander Orlov, Materialwissenschaftler an der Stony Brook University in New York. Das Sonnenspektrum, das auf der Erdoberfläche ankommt, enthalte nur fünf Prozent UV-Strahlung, aber 46 Prozent sichtbares Licht. Die Verschiebung zu sichtbaren Wellenlängen macht auch künstliche Lichtquellen in Gebäuden nutzbar, die üblicherweise nur einen sehr geringen UV-Anteil haben.

In einem Test legten Shang und seine Kollegen den neuen Photokatalysator in eine wässrige Lösung, in der sich sehr viele Kolibakterien tummelten. Dann knipsten sie eine handelsübliche Halogenlampe an. Schon nach einer Stunde war die Bakterienkonzentration von einer Million Zellen pro Liter auf 10.000 Zellen gefallen.

In einem weiteren Test untersuchten sie, wie sich das Material im Dunkeln verhält, nachdem es zuvor Licht ausgesetzt worden war. Nach zehn Stunden im Sonnenlicht wurde die Versuchsanordnung ins Dunkle gebracht. Ergebnis: Noch nach 24 Stunden war der Photokatalysator aktiv. Selbst wenn man ihn nur fünf Minuten beschien, blieb er noch ebenso viele Minuten im Dunkeln aktiv.

„Normalerweise stoppt bei Photokatalysatoren die Aktivität sofort, wenn man das Licht ausknipst“, sagt Shang. „Die chemischen Verbindungen, die durch den Lichteinfall entstehen, existieren nur für einige Nanosekunden.“ Dieses Problem hätten alle herkömmlichen Photokatalysatoren.

Die Palladium-Nanopartikel ändern dies in zweierlei Weise. Wenn Photonen auftreffen, entstehen in der Faser Paare von negativen und positiven Ladungen – Elektronen und so genannte Löcher (also Kristallstellen, an denen Elektronen fehlen). Die Löcher im Stickstoff-dotierten Titandioxid reagieren mit Wasser und bilden dabei Hydroxyl-Radikale, die die Bakterien angreifen. Die Palladium-Nanopartikel absorbieren hingegen die Elektronen und verhindern dadurch, dass diese mit den Löchern rekombinieren. Auf diese Weise bleiben genug Löcher erhalten, um Radikale zu bilden.

Die absorbierten Elektronen laden aber zugleich die Palladium-Teilchen negativ auf. „Wenn das Licht abgeschaltet wird, werden die Ladungen ganz langsam wieder abgegeben. Dadurch bekommen wir einen ‚Memory-Effekt’“, erläutert Shang. Die freigesetzten Ladungen reagieren dann im Dunkeln ihrerseits mit Wasser, so dass sich weiterhin oxidierende Moleküle bilden, die die Bakterien angreifen. Außer Palladium würden auch andere Übergangsmetalle, etwa Silber, diese verstärkende Wirkung haben, sagt Shang.

Der Vorteil des neuen Materials liegt auf der Hand: Man kann ihn tagsüber ins Licht stellen und dann in der Nacht weiterarbeiten lassen. Weil der Palladium-basierte Photokatalysator Wasser sehr schnell desinfiziert, könnte man ihn vielleicht sogar direkt in Wasserleitungen einbauen und so große Mengen sauberen Wassers produzieren, spekuliert Shang. (nbo)