DE19757496A1 - Photocatalysts comprising metal oxide and metal ions - Google Patents

Photocatalysts comprising metal oxide and metal ions

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Abstract

Photocatalysts that absorb light in the visible wavelength region (380-780 nm) comprise a homogeneous mixture of at least 60% Ti, Zn, Fe, Mn, Mo and/or W oxide(s) and less than 40% Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag and/or Au ions in oxide or halide form. Also claimed is a process for producing the above photocatalysts by polymerisation or polycondensation of hydrolysable soluble compounds of the above metals at pH 0 to 10 in a sol-gel process at pH value between 0-7, followed by mild drying and slow calcination.

Description

Die Erfindung betrifft Photokatalysatoren, im wesentlichen bestehend aus mit Metallionen dotierten Metalloxiden mit besonderer photokatalytischer Aktivität, deren Herstellung in einem einstufigen Sol-Gel-Verfahren und deren Verwertung von Licht im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts.The invention relates to photocatalysts, consisting essentially of Metal oxides doped metal oxides with special photocatalytic activity, their production in a one-step sol-gel process and their utilization of light in the wavelength range of visible light.

Der Einsatz von Photokatalysatoren zur umweltfreundlichen Reinigung von Abwasser gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bisherige Photokatalysatoren basieren auf der Entwicklung von Titanoxid-Materialien (M.R. Hoffmann, S.T. Martin, W. Choi, D.W. Bahnemann, Chem. Rev. 1995, 95, 69). Diese halbleitenden Materialien erzeugen durch Bestrahlung mit UV-Licht hochaktive Oxidantien auf ihrer Oberfläche und sind dadurch in der Lage, organische Luft- und Wasserinhaltsstoffe ohne zusätzliche äußere Energiequelle oxidativ abzubauen (A.L. Linsebigler, G.Lu, J.T. Yates Jr., Chem. Rev. 1995, 95, 735). Verschiedene Studien berichten über eine erhöhte Photoeffizienz mit abnehmender Teilchengröße (1 nm bis 20 nm), andere Studien berichten, daß die massive Phase aktiver ist als Nanoteilchen (A.J. Hoffmann, E.R. Carraway, M.R. Hoffmann, Environ. Sci. Technol. 1994, 28, 776). Eine Erhöhung der Photokatalyseaktivität von TiO2 wurde durch die Dotierung von TiO2-Partikeln mit verschiedenen Metallionen beobachtet (W. Choi, A. Termin, M.R. Hoffmann, Angew. Chem. 1994, 106, 1148), aber diese Materialien zeigen keine Aktivität mit sichtbarem Licht.The use of photocatalysts for the environmentally friendly treatment of wastewater is becoming increasingly important. Previous photocatalysts have been based on the development of titanium oxide materials (MR Hoffmann, ST Martin, W. Choi, DW Bahnemann, Chem. Rev. 1995, 95, 69). These semiconducting materials generate highly active oxidants on their surface by irradiation with UV light and are therefore able to oxidatively decompose organic air and water contents without an additional external energy source (AL Linsebigler, G.Lu, JT Yates Jr., Chem. Rev. 1995, 95, 735). Various studies report increased photoefficiency with decreasing particle size (1 nm to 20 nm), other studies report that the massive phase is more active than nanoparticles (AJ Hoffmann, ER Carraway, MR Hoffmann, Environ. Sci. Technol. 1994, 28, 776). An increase in the photocatalytic activity of TiO 2 was observed by doping TiO 2 particles with various metal ions (W. Choi, A. Termin, MR Hoffmann, Angew. Chem. 1994, 106, 1148), but these materials show no activity visible light.

Die meisten bisher bekannten photokatalytischen Verfahren zur Trinkwasseraufbereitung benötigen ultraviolettes Licht, da TiO2 nur in diesem Spektralgebiet absorbiert (a) Schiavello, M., Ed. Photocatalysis and Environment; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, 1988. (b) Ollis, D.F.; Al- Ekabi, H., Eds. Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air; Elsevier: Amsterdam, 1993. (c) Fox, M.A.; Dulay, M.T. Chem. Rev. 1993, 93, 341. (d) Legrini, O.; Oliveros, E.; Braun, A.M. Chem. Rev. 1993, 93, 671. (e) Lewis, L.N. Chem. Rev. 1993, 93, 2693. (f) Matthews, R.W. Pure Appl. Chem. 1992, 64, 1285. EP 0633 064 A1). Die Anwendung von solchen Photokatalysatoren benötigt nur schwaches UV-Licht und erlaubt die Reinigung von Wasser, Luft (Environmental Photocatalysis for Purification of Air and Water, Part 1. [In: Res. Chem. Intermed., 1997; 23 (3), Vinodgopal, K.; Editor, VSP: Utrecht, Neth. 1997). Die Reinigung von Luft mit schwachem UV-Licht läßt sich auch durch das Aufbringen von TiO2-Partikeln auf Papier bewerkstelligen (H. Matsubara, M. Takada, S. Koyama, K. Hashimoto, A. Fujishima, Chem. Lett. 1995, 767).Most of the previously known photocatalytic processes for drinking water treatment require ultraviolet light, since TiO 2 only absorbs in this spectral region (a) Schiavello, M., Ed. Photocatalysis and environment; Kluwer Academic Publishers: Dordrecht, 1988. (b) Ollis, DF; Al-Ekabi, H., Eds. Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air; Elsevier: Amsterdam, 1993. (c) Fox, MA; Dulay, MT Chem. Rev. 1993, 93, 341. (d) Legrini, O .; Oliveros, E .; Braun, AM Chem. Rev. 1993, 93, 671. (e) Lewis, LN Chem. Rev. 1993, 93, 2693. (f) Matthews, RW Pure Appl. Chem. 1992, 64, 1285. EP 0633 064 A1). The use of such photocatalysts requires only weak UV light and permits the purification of water and air (Environmental Photocatalysis for Purification of Air and Water, Part 1. [In: Res. Chem. Intermed., 1997; 23 (3), Vinodgopal , K .; Editor, VSP: Utrecht, Neth. 1997). The cleaning of air with weak UV light can also be accomplished by applying TiO 2 particles to paper (H. Matsubara, M. Takada, S. Koyama, K. Hashimoto, A. Fujishima, Chem. Lett. 1995, 767).

Größter Nachteil der bisherigen Anwendungen von Photokatalysatoren ist deren Bindung an energiereiches UV-Licht, das sowohl bei zunehmender Bewölkung als auch in Innenräumen nicht in ausreichendem Maße vorhanden ist. Die Entwicklung von photokatalytisch aktiven Materialien mit der Möglichkeit der Verwertung von sichtbarem Licht ist daher von großem technischem Interesse. Dabei nimmt die Photosensibilisierung von Titandioxid durch nachträgliches Dotieren mit Übergangsmetalloxiden oder durch adsorptive oder kovalente Verknüpfung mit Farbstoffen eine herausragende Stellung ein. Ein Beispiel für die erstere Vorgehensweise sind gemischte Titan-Eisenoxid-Kolloide, die den Abbau von Dichloracetat mit sichtbarem Licht ermöglichen. Allerdings wird dieser Katalysator während der Reaktion zersetzt, ein Vorgang, der nur durch Zugabe von Wasserstoffperoxid teilweise unterdrückt werden kann (Bahnemann, D. W.; Bockelmann, D.; Goslich, R.; Hilgendorff, M. In Aquatic and Surface Photochemistry; Helz, G. R.; Zepp, R. G.; Crosby, D. G., Eds.; Lewis Publishers: Boca Raton, 1994, pp349-367.). Über die Zersetzung von NOx mit sichtbarem Licht wird auch für mit V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni oder Cu mittels Ionenimplantation dotiertem TiO2, SrTiO3, WOx und SiC berichtet (JP 09192496 A2); allerdings ist es nicht erwiesen, ob diese Reaktionen nach einem Halbleitermechanismus verlaufen und ob diese Materialien in einer photoelektrochemischen Zelle zur Erzeugung eines Photostroms fähig sind. Auch über Dotierung von nanokristallinem TiO2 mit zwei- und dreiwertigen Übergangsmetallionen und dessen Einsatz in einer photoelektrochemischen Zelle wurde berichtet (WO 91/16719). Das wichtigste Beispiel für die zweite Vorgehensweise, der Photosensibilisierung durch einen Farbstoff, ist eine mit einem Ruthenium(II)-Bipyridyl-Komplex beladenene nanokrstalline TiO2- Elektrode (DE 42 07 659 A1). Es ist fraglich, ob bei längeren Belichtungszeiten die organischen Liganden photostabil sind.The greatest disadvantage of the previous applications of photocatalysts is their binding to high-energy UV light, which is not available to a sufficient extent both with increasing cloudiness and indoors. The development of photocatalytically active materials with the possibility of utilizing visible light is therefore of great technical interest. The photosensitization of titanium dioxide by subsequent doping with transition metal oxides or by adsorptive or covalent linkage with dyestuffs plays an outstanding role. An example of the former approach are mixed titanium-iron oxide colloids, which allow the degradation of dichloroacetate with visible light. However, this catalyst is decomposed during the reaction, a process that can only be partially suppressed by adding hydrogen peroxide (Bahnemann, DW; Bockelmann, D .; Goslich, R .; Hilgendorff, M. In Aquatic and Surface Photochemistry; Helz, GR ; Zepp, RG; Crosby, DG, Eds .; Lewis Publishers: Boca Raton, 1994, pp349-367.). The decomposition of NO x with visible light is also reported for TiO 2 , SrTiO 3 , WO x and SiC doped with V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni or Cu (JP 09192496 A2); however, it has not been established whether these reactions proceed according to a semiconductor mechanism and whether these materials are capable of generating a photocurrent in a photoelectrochemical cell. Doping of nanocrystalline TiO 2 with divalent and trivalent transition metal ions and its use in a photoelectrochemical cell has also been reported (WO 91/16719). The most important example of the second procedure, the photosensitization by means of a dye, is a nanocrstalline TiO 2 electrode loaded with a ruthenium (II) bipyridyl complex (DE 42 07 659 A1). It is questionable whether the organic ligands are photostable with longer exposure times.

Wir haben nun gefunden, daß überraschenderweise hochporöse Sol-Gel- Materialien auf der Basis von Metalloxid, bevorzugt von Titandioxid auch mit sichtbarem Licht photokatalytische Abbaureaktionen und Erzeugung eines Photostroms ermöglichen. Diese photokatalytische Aktivität mit sichtbarem Licht ist an das Vorhandensein von Zweitionen in der porösen Metalloxidmatrix gebunden. Das Material unterscheidet sich von bekannten Materialien vor allem dadurch, daß die Zweitionen nicht nur auf der inneren und äußeren Oberfläche vorhanden sind, sondern einen integralen Anteil des gesamten Materials darstellen. Wichtig ist auch, daß die Dotierung mit den photokatalytischen aktiven Zweitionen integraler Bestandteil der Herstellung ist und nicht nachträglich erfolgt. Untersuchungen der Materialien mit hochauflösender Transmissions-elektronenmikroskopie und Röntgenrückstreuanalyse belegen, daß die photokatalytisch aktiven Ionen gleichmäßig im Material verteilt sind. EXAFS-Untersuchungen (Extended X-ray Adsorption Fine Structure) am Beispiel des aus Na2PtCl6 × 6 H2O und Titanisopropylat hergestellten photokata­ lytisch aktiven Pt-TiO2-Katalysator belegen das Vorliegen von atomar isolierten PtCl4-Einheiten im Titandioxid. ESCA-Untersuchungen (Elektronen- Spektroskopie für die chemische Analyse) am gleichen Material bestätigen, daß Pt ausschließlich in Ionenform vorliegt. Hochauflösende Transmissions­ elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, daß das Titanoxid als amorphes Material mit darin eingeschlossenen nanometergroßen kristallinen Domänen vorliegt und Pt homogen verteilt im gesamten Material zu finden ist. Untersuchungen mit Ar-Adsorptionsisothermen zeigen, daß diese Materialen durchweg über große Oberflächen (größer als 10, typischerweise 30 bis 1000 m2/g) und damit über eine hohe Porosität (Porengröße < 0,5 nm, typischerweise 0,8 bis 10 nm) verfügen. Diese Eigenschaft ist bedeutend, da durch die große Oberfläche eine besonders effektive Wechselwirkung des Katalysatormaterials mit dem Medium (Luft oder Wasser) sichergestellt ist. We have now found that, surprisingly, highly porous sol-gel materials based on metal oxide, preferably titanium dioxide, also enable photocatalytic degradation reactions and generation of a photocurrent with visible light. This visible light photocatalytic activity is linked to the presence of second ions in the porous metal oxide matrix. The material differs from known materials primarily in that the second ions are not only present on the inner and outer surface, but represent an integral part of the entire material. It is also important that the doping with the photocatalytic active second ions is an integral part of the production and is not carried out subsequently. Investigations of the materials with high-resolution transmission electron microscopy and X-ray backscatter analysis show that the photocatalytically active ions are evenly distributed in the material. EXAFS investigations (Extended X-ray Adsorption Fine Structure) using the example of the photocatalytically active Pt-TiO 2 catalyst made from Na 2 PtCl 6 × 6 H 2 O and titanium isopropylate demonstrate the presence of atomically isolated PtCl 4 units in titanium dioxide. ESCA investigations (electron spectroscopy for chemical analysis) on the same material confirm that Pt is only in ion form. High-resolution transmission electron microscopic examinations show that the titanium oxide is present as an amorphous material with nanometer-sized crystalline domains enclosed therein, and Pt can be found homogeneously distributed throughout the material. Studies with Ar adsorption isotherms show that these materials consistently over large surfaces (greater than 10, typically 30 to 1000 m 2 / g) and thus over a high porosity (pore size <0.5 nm, typically 0.8 to 10 nm) feature. This property is significant because the large surface area ensures a particularly effective interaction of the catalyst material with the medium (air or water).

Als Katalysatormaterial mit großer Oberfläche kommen Materialien in Frage, die im wesentlichen zu mehr als 60% ein Metalloxid oder Mischungen von Metalloxiden von Titan, Zink, Eisen, Mangan, Molybdän oder Wolfram und zu weniger als 40% Ionen aus der Gruppe Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag, Au enthalten und die Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich absorbieren. Vorzugsweise wird TiO2 als Metalloxid eingesetzt, dotiert vorzugsweise mit Pt oder Rh.Suitable catalyst materials with a large surface are materials which essentially contain more than 60% a metal oxide or mixtures of metal oxides of titanium, zinc, iron, manganese, molybdenum or tungsten and less than 40% ions from the group Pt, Rh, Contain Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag, Au and absorb the light in the visible wavelength range. TiO 2 is preferably used as the metal oxide, preferably doped with Pt or Rh.

Die vorgestellten Photokatalysatoren arbeiten also mit sichtbarem Licht, und unterliegen keiner Zersetzung. Die Herstellung erfolgt vorzugsweise naßchemisch nach einem einstufigen Sol-Gel-Verfahren. Das Verfahren hat den Vorteil, daß es sofort Materialien mit großen Oberflächen liefert und daß sich sowohl die Porengröße als auch die Konzentration der aktiven Zentren in weiten Grenzen durch das Verfahren variieren lassen.The photocatalysts presented thus work with visible light, and are not subject to decomposition. The production is preferably carried out wet chemical according to a one-step sol-gel process. The procedure has the advantage that it immediately supplies materials with large surfaces and that both the pore size and the concentration of the active centers in allow wide limits to vary through the process.

Da phenolische Verbindungen in vielen Gewässern als Verunreinigungen vorkommen, wird im folgenden der Abbau von 4-Chlorphenol (Hoffmann, M.R.; Martin, S.T.; Choi, W.; Bahnemann, D.W. Chem. Rev. 1995, 95, 69.) nach dem neuen Verfahren an Hand von einigen typischen Beispielen beschrieben. Die solare Reinigung von Luft wird durch den Abbau von Acetaldhyd und Ethylmercaptan dokumentiert. In Abb. 1 ist die Abnahme der 4-Chlorphenol- Konzentration beim Belichten mit sichtbarem Licht (455 nm) in Gegenwart eines herkömmlichen (Degussa P25) und eines neuartigen Hybridkatalysators dargestellt.Since phenolic compounds occur in many waters as impurities, the breakdown of 4-chlorophenol (Hoffmann, MR; Martin, ST; Choi, W .; Bahnemann, DW Chem. Rev. 1995, 95, 69.) is based on the new one The process is described using some typical examples. Solar air purification is documented by the breakdown of acetaldehyde and ethyl mercaptan. Fig. 1 shows the decrease in the 4-chlorophenol concentration when exposed to visible light (455 nm) in the presence of a conventional (Degussa P25) and a new hybrid catalyst.

Diese neuen Photokatalysatoren ermöglichen die wesentlich effektivere Nutzung der Sonnenenergie und des sichtbaren Lichtes in geschlossenen Räumen zur Reinigung von Luft und Wasser und zur Erzeugung von elektrischem Strom. Ein großer Vorteil ist hier die optische Transparenz des als Basismaterials verwendeten Metalloxids, z. B. TiO2, die eine wesentlich größere Eindringtiefe des einfallenden Lichtes in das Material und damit eine effektivere Nutzung der vorhandenen aktiven Zentren ermöglicht. Durch die Verwendung von Tapeten, die mit diesem Photokatalysator versetzt wurden, ist eine effiziente Reinigung der Raumluft während der gesamten Nutzungszeit denkbar, hier ist besonders die Reinigung der Luft in der Gegenwart von Rauchern, die Entfernung von Allergenen in Räumen mit Kranken oder Allergikern, die Reinigung in stark genutzen Räumen wie Gaststätten, Großraumbüros, Produktionsbetrieben, bei Versammlungen und Vorträgen, in Schulklassen räumen, und vielen anderen sinnvollen Anwendungen möglich. Da sichtbares Licht für Tapeten wesentlich unschädlicher ist als UV-Licht, sollte sich die Verwendung der hier vorgestellten Katalysatoren nicht nur auf die Effektivität der Reinigung durch die Verwendung von sichtbarem Licht, sondern auch auf die Wirkungsdauer und Haltbarkeit solcher Anwendungen auswirken. Luftreinigung im Innen- und Außenbereich durch photokatalytischen Abbau von Schadstoffen kann auch durchgeführt werden, indem man Innenwände von Räumen, Außenwände von Gebäuden inklusive Fensterflächen und Dachflächen, Gehwegplatten und Straßenbeläge mit einer solchen dünnen photokatalytisch aktiven Schicht überzieht. Gerade bei derartigen Anwendungen sollte sich die Einfachheit der Herstellung dieser Photokatalysatoren und deren Haftung auf allen mineralischen Flächen vorteilhaft auswirken. Auch beim Einsatz der Materialien zur Reinigung von Wasser erlaubt die Verwertung von sichtbarem Licht wesentlich effektivere Anwendungen: Da Wasser selbst zwar nicht für UV- aber für sichtbares Licht praktisch vollständig durchlässig ist, ist die Bedeckung der Katalysatoren mit Wasser wesentlich weniger kritisch als beim Einsatz von UV-Licht nach der herkömmlichen Technik. Der Einsatz der Materialien als Solarzelle zur Gewinnung von Strom aus sichtbarem Licht eröffnet völlig neue Einsatzmöglichkeiten von Solarzellen, da im Gegensatz zu Silizium die hier vorgestellten Sol-Gel-Materialien als dünner Film zu niedrigen Kosten auf viele Materialien, wie z. B. Dachziegel, Glasscheiben, Gebäudeverkleidungen usw. aufgebracht werden können.These new photocatalysts enable the much more effective use of solar energy and visible light in closed rooms to purify air and water and to generate electricity. A great advantage here is the optical transparency of the metal oxide used as the base material, e.g. B. TiO 2 , which allows a much greater depth of penetration of the incident light into the material and thus a more effective use of the existing active centers. Through the use of wallpapers, which have been mixed with this photocatalyst, an efficient cleaning of the room air is conceivable during the entire period of use, here is especially the cleaning of the air in the presence of smokers, the removal of allergens in rooms with sick or allergy sufferers Cleaning in heavily used rooms such as restaurants, open-plan offices, production plants, at meetings and lectures, in school classes, and many other useful applications possible. Since visible light is much less harmful to wallpapers than UV light, the use of the catalysts presented here should not only affect the effectiveness of cleaning by using visible light, but also the effectiveness and durability of such applications. Air purification indoors and outdoors by photocatalytic degradation of pollutants can also be carried out by coating such thin photocatalytically active layer on the interior walls of rooms, exterior walls of buildings including window and roof areas, walkway slabs and road surfaces. In such applications in particular, the simplicity of manufacturing these photocatalysts and their adhesion to all mineral surfaces should have an advantageous effect. The use of visible light also enables the use of visible light to be used much more effectively: Since water itself is not completely transparent to UV light but visible light, the covering of the catalysts with water is much less critical than when using UV light using conventional technology. The use of the materials as a solar cell to generate electricity from visible light opens up completely new uses for solar cells, since, in contrast to silicon, the sol-gel materials presented here as a thin film at low cost on many materials, such as. B. tiles, glass panels, building cladding, etc. can be applied.

Beispiel 1a-u, KatalysatorherstellungExample 1a-u, catalyst preparation Herstellung der metallhaltigen TiO2-Katalysatoren 1a-1tProduction of the metal-containing TiO 2 catalysts 1a-1t

In einem mit Parafilm abgedeckten Becherglas (mit Argon gespült) wurden 2,4 ml Titanisopropoxid (8,1 mmol) mit 8 ml trockenem Ethanol vermischt. Nach 30 min wurden unter Rühren 20 µl 8N HCl zugegeben. Nach 2 Minuten wurden 20 µl konz. HCl zugetropft. Nach weiteren 5 min werden 60 µl konz. HCl zugegeben. Abschließend wurden nach einer Wartezeit von 10 min 60 µl konz. HCl zu der Mischung gegeben. Unter Rühren wurden weitere 2 ml Ethanol zugegeben. Die gelbliche, klare Mischung wurde mit der Metallsalzlösung (siehe unten) versetzt und die Mischung für einige Stunden (12h) gerührt. Das lose abgedeckte Solstand nun für weitere 6 Tage ohne Rühren und gelierte während dieser Zeit. Zur milden Vortrocknung lies man das Gel ohne Abdeckung für weitere 10 Tage im Abzug stehen, wobei es aushärtete und spröde wurde. Das so entstandene Glas wurde nun mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 0,1°C/min auf 65°C erhitzt, bei dieser Temperatur 100 min gehalten und mit der gleichen Aufheizgeschwindigkeit anschließend auf 250°C erhitzt. Bei dieser Temperatur hielt man das Material für 5 h und kühlte danach mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 0,5°C/min auf Raumtemperatur ab.In a beaker covered with parafilm (flushed with argon), 2.4 ml of titanium isopropoxide (8.1 mmol) mixed with 8 ml of dry ethanol. After 30  min. 20 μl of 8N HCl were added with stirring. After 2 minutes, 20 µl conc. HCl added dropwise. After a further 5 min, 60 ul conc. HCl admitted. Finally, after a waiting time of 10 min, 60 µl conc. HCl added to the mixture. With stirring, a further 2 ml of ethanol admitted. The yellowish, clear mixture was mixed with the metal salt solution (see below) and the mixture was stirred for a few hours (12 h). That loose covered sol stand for another 6 days without stirring and gelled During this time. For mild predrying, the gel was left without Cover for another 10 days in the hood, hardening and became brittle. The resulting glass was now with a Heating rate heated from 0.1 ° C / min to 65 ° C at this temperature Hold for 100 min and then heat up at the same rate Heated to 250 ° C. The material was kept at this temperature for 5 h and cooled then with a cooling rate of 0.5 ° C / min to room temperature from.

Zur Darstellung verschiedener metallhaltiger Katalysatoren wurden die folgenden Metallsalzmengen in 5 ml Ethanol gelöst (Metallsalzlösungen):
To prepare various metal-containing catalysts, the following amounts of metal salt were dissolved in 5 ml of ethanol (metal salt solutions):

  • a) 0,5 wt% Pt/TiO2: 9,5 mg Na2PtCl6×6H2O = 1,7 × 10-5 mola) 0.5 wt% Pt / TiO 2 : 9.5 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 1.7 × 10 -5 mol
  • b) 0,7 wt% Pt/TiO2: 13,4 mg Na2PtCl6×6H2O = 2,38 × 10-5 molb) 0.7 wt% Pt / TiO 2 : 13.4 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 2.38 × 10 -5 mol
  • c) 1,1 wt% Pt/TiO2: 21 mg Na2PtCl6×6H2O = 373 × 10-5 molc) 1.1 wt% Pt / TiO 2 : 21 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 373 × 10 -5 mol
  • d) 2,0 wt% Pt/TiO2: 38,1 mg Na2PtCl6×6H2O = 6,78 × 10-5 mold) 2.0 wt% Pt / TiO 2 : 38.1 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 6.78 × 10 -5 mol
  • e) 3,0 wt% Pt/TiO2: 57,2 mg Na2PtCl6×6H2O = 1,02 × 10-4 mole) 3.0 wt% Pt / TiO 2 : 57.2 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 1.02 × 10 -4 mol
  • f) 4 wt% Pt/TiO2: 76,4 mg Na2PtCl6×6H2O = 1,36 × 10-4 molf) 4 wt% Pt / TiO 2 : 76.4 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 1.36 × 10 -4 mol
  • g) 5 wt% Pt/TiO2: 96 mg Na2PtCl6×6H2O = 1,71 × 10-4 molg) 5 wt% Pt / TiO 2 : 96 mg Na 2 PtCl 6 × 6H 2 O = 1.71 × 10 -4 mol
  • h) 1 wt % Cr/TiO2: 44,34 mg Cr(acac)3= 1,27 10-4 molh) 1 wt% Cr / TiO 2 : 44.34 mg Cr (acac) 3 = 1.27 10 -4 mol
  • i) 1 wt% Mn/TiO2: 32,2 mg Mn(Oac)3 = 1,2 10-4 moli) 1 wt% Mn / TiO 2 : 32.2 mg Mn (Oac) 3 = 1.2 10 -4 mol
  • j) 1 wt% Fe/TiO2: 45,2 mg Fe(NO3)3×9H2O = 1,18 × 10-4 molj) 1 wt% Fe / TiO 2 : 45.2 mg Fe (NO 3 ) 3 × 9H 2 O = 1.18 × 10 -4 mol
  • k) 1 wt% Ru/TiO2: 26 mg Ru(acac)2= 6,52 × 10-5 molk) 1 wt% Ru / TiO 2 : 26 mg Ru (acac) 2 = 6.52 × 10 -5 mol
  • l) 1 wt% Co/TiO2: 32,2 mg CoCl2×6H2O = 1,35 × 10-4 moll) 1 wt% Co / TiO 2 : 32.2 mg CoCl 2 × 6H 2 O = 1.35 × 10 -4 mol
  • m) 1 wt% Rh/TiO2: 13,4 mg RhCl3 = 6,41 × 10-5 molm) 1 wt% Rh / TiO 2 : 13.4 mg RhCl 3 = 6.41 × 10 -5 mol
  • n) 1 wt % Ir/TiO2: 11,46 mg IrCl4 = 3,43 × 10-5 mol n) 1 wt% Ir / TiO 2 : 11.46 mg IrCl 4 = 3.43 × 10 -5 mol
  • o) 1 wt% Ni/TiO2: 26,7 mg NiCl2×6H2O = 1,12 × 10-4 molo) 1 wt% Ni / TiO 2 : 26.7 mg NiCl 2 × 6H 2 O = 1.12 × 10 -4 mol
  • p) 1 wt% Pd/TiO2: 54,9 mg PdCl2 = 3,1 × 10-4 molp) 1 wt% Pd / TiO 2 : 54.9 mg PdCl 2 = 3.1 × 10 -4 mol
  • q) 1 wt% Cu/TiO2: 27,2 Cu(acac)2 = 1,04 × 10-4 molq) 1 wt% Cu / TiO 2 : 27.2 Cu (acac) 2 = 1.04 × 10 -4 mol
  • r) 1 wt% Ag/TiO2: 10,4 mg AgNO3 = 6,12 × 10-5 molr) 1 wt% Ag / TiO 2 : 10.4 mg AgNO 3 = 6.12 × 10 -5 mol
  • s) 1 wt% Au/TiO2: 10,16 mg AuCl3 = 3,5 × 10-5 mols) 1 wt% Au / TiO 2 : 10.16 mg AuCl 3 = 3.5 × 10 -5 mol
  • t) 1 wt% Zn/TiO2: 13,8 mg ZnCl2= 1,01 × 10-4 molt) 1 wt% Zn / TiO 2 : 13.8 mg ZnCl 2 = 1.01 × 10 -4 mol
Beispiel 1uExample 1u Herstellung der metallhaltigen TiO2-Katalysatoren (überkritische Trocknung)Production of the metal-containing TiO 2 catalysts (supercritical drying)

In einem mit Parafilm abgedeckten Becherglas (mit Argon gespült) wurden 2,4 ml Titanisopropoxid (8,1 mmol) mit 8 ml trockenem Ethanol vermischt. Nach 30 min wurden unter Rühren 20 µl 8N HCl zugegeben. Nach 2 Minuten werden 20 µl konz. HCl zugetropft. Nach weiteren 5 min werden 60 µl konz. HCl zugegeben. Abschließend wurden nach einer Wartezeit von 10 min 60 µl konz. HCl zu der Mischung gegeben. Unter Rühren wurden weitere 2 ml Ethanol zugegeben. Die gelbliche, klare Mischung wurde mit der Metall-salzlösung (siehe unten) versetzt und die Mischung für einige Stunden (12h) gerührt. Das lose abgedeckte Solstand nun für weitere 8 Tage ohne Rühren und gelierte während dieser Zeit. Die gelierten Stücke wurden in einen 250 ml Autoklaven gefüllt und mit 5 bar N2 versetzt. Der Autoklav wurde langsam (1°C/min) auf 270°C aufgeheizt, wobei der Druck auf etwa 22 bar anstieg. Nach Erreichen der Endtemperatur wurde der Autoklav mit 0,1 bar/min langsam entspannt. Danach wurde die Heizung abgestellt und nach Erreichen der Raumtemperatur wurde der Autoklav geöffnet und der fertige Katalysator entnommen.In a beaker covered with parafilm (flushed with argon), 2.4 ml of titanium isopropoxide (8.1 mmol) were mixed with 8 ml of dry ethanol. After 30 min, 20 μl of 8N HCl were added with stirring. After 2 minutes, 20 ul conc. HCl added dropwise. After a further 5 min, 60 ul conc. HCl added. Finally, after a waiting time of 10 min, 60 µl conc. HCl added to the mixture. A further 2 ml of ethanol were added with stirring. The yellowish, clear mixture was mixed with the metal salt solution (see below) and the mixture was stirred for a few hours (12 h). The loosely covered sol now stood for another 8 days without stirring and gelled during this time. The gelled pieces were placed in a 250 ml autoclave and 5 bar of N 2 were added. The autoclave was slowly (1 ° C / min) heated to 270 ° C, the pressure rising to about 22 bar. After the end temperature had been reached, the autoclave was slowly depressurized at 0.1 bar / min. The heating was then switched off and, after reaching room temperature, the autoclave was opened and the finished catalyst was removed.

Beispiel 2Example 2

In 14 ml einer Lösung von 4-Chlorphenol (2,5 × 10-4 M) wurde der Katalysator (0,5 g/l) im Ultraschallbad 15 min suspendiert. Danach wurde 20 min magnetisch gerührt und anschließend unter weiterem Rühren 3 h mit einer Osram XBO 150 W Xenonlampe belichtet; ein Kantenfilter der Wellenlänge λ≧ 400 nm und λ≧ 455 nm sorgte für die Eliminierung der UV-Strahlung. Der Abbau von 4- Chlorphenol wurde mittels Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie verfolgt. The catalyst (0.5 g / l) was suspended in an ultrasonic bath for 15 min in 14 ml of a solution of 4-chlorophenol (2.5 × 10 -4 M). The mixture was then magnetically stirred for 20 min and then exposed to an Osram XBO 150 W xenon lamp for 3 h with further stirring; an edge filter with a wavelength of λ ≧ 400 nm and λ ≧ 455 nm ensured the elimination of UV radiation. The degradation of 4-chlorophenol was followed by high pressure liquid chromatography.

Tabelle 1 Table 1

Beispiel 3Example 3

Wie Beispiel 2 aber es wurde ein Kantenfilter λ≧ 335 nm eingesetzt.Like example 2, but an edge filter λ ≧ 335 nm was used.

Tabelle 2Table 2

Beispiel 4Example 4

Wie Beispiel 2, Nr. 3. Nach 6 h Belichtung wurde TiO2/Pt abfiltriert, mit H2O gewaschen und neuerlich als Photokatalysator eingesetzt. Die Reaktionsgeschwindigkeit betrug jetzt 90% der ursprünglichen.As example 2, no. 3. After exposure for 6 h, TiO 2 / Pt was filtered off, washed with H 2 O and used again as a photocatalyst. The reaction rate was now 90% of the original.

Beispiel 5Example 5

Wie Beispiel 3, jedoch wurde die Suspension am 6. und 7. Oktober 1997 jeweils von 11.30 Uhr bis 16.30 Uhr im diffusen Sonnenlicht in einem Glaskolben (λ≧ 320 nm) gerührt (siehe Tab. 1). (6. Oktober: klarer Himmel; 7. Oktober: bewölkt). Der Abbau betrug dabei 100 bzw. 69% (Tab. 1, Beispiel 5 u. 8).Like Example 3, but the suspension was on October 6 and 7, 1997, respectively from 11.30 a.m. to 4.30 p.m. in diffuse sunlight in a glass bulb (λ ≧ 320 nm) stirred (see Tab. 1). (October 6: clear sky; October 7: cloudy). The degradation was 100 or 69% (Tab. 1, Example 5 and 8).

Beispiel 6Example 6

Die Messung der scheinbaren Quantenausbeute für den Abbau von 4- Chlorphenol bei den verschiedenen Wellenlängen (335, 366, 400, 436, 546 nm) wurde mit einem elektronisch integrierenden Aktinometer durchgeführt. 3.0 ml einer Suspension von TiO2/Pt (0.25 g I-1), welche 4-Chlorphenol in einer Konzentration von 2.5 × 10-5 M enthielt, wurden 15 min im Ultraschallbad behandelt und anschließend in die Substanzküvette transferiert. Eine SiO2- Suspension mit den gleichen Lichtstreueigenschaften wie TiO2/Pt wurde in die Lösungsmittelküvette gefüllt und beide Küvetten wurden magnetisch gerührt. Alle Messungen wurden bei 25°C durchgeführt.The measurement of the apparent quantum yield for the degradation of 4-chlorophenol at the different wavelengths (335, 366, 400, 436, 546 nm) was carried out with an electronically integrating actinometer. 3.0 ml of a suspension of TiO 2 / Pt (0.25 g I -1 ), which contained 4-chlorophenol in a concentration of 2.5 × 10 -5 M, were treated in an ultrasound bath for 15 min and then transferred to the substance cuvette. An SiO 2 suspension with the same light scattering properties as TiO 2 / Pt was filled into the solvent cuvette and both cuvettes were stirred magnetically. All measurements were carried out at 25 ° C.

Tabelle 3 Table 3

Beispiel 7Example 7

In einer konventionellen photoelektrochemischen Zelle (3-Elektrodenaufbau) wird eine mit TiO2/Pt beschichtete (Schichtdicke etwa 3 µm) Indiumzinnoxid- Elektrode von der Rückseite mit Licht verschiedener Wellenlänge belichtet und der entstandene Strom gemessen (Tab. 4). In a conventional photoelectrochemical cell (3-electrode structure), an indium tin oxide electrode coated with TiO 2 / Pt (layer thickness approx. 3 µm) is exposed from the back with light of different wavelengths and the resulting current is measured (Tab. 4).

Tabelle 4 Table 4

Aktionsspektrum des Photostroms von Degussa-P25 und Hybridkatalysator TiO2/Pt Action spectrum of the Degussa-P25 photocurrent and TiO 2 / Pt hybrid catalyst

Beispiel 8Example 8

Aufbau einer photovoltaischen Zelle zur Stromerzeugung.Construction of a photovoltaic cell for power generation.

Zur Herstellung der Photolektrode wurde eine wäßrige Paste des Katalysators (1c) auf Indiumzinnoxid-Glas aufgebracht und 30 min bei 140°C getrocknet. Das Glasplättchen wurde in die mit Gummidichtungen versehene Zelle eingebracht, mit dem Redoxelektrolyten überschichtet und mit der zweiten Indiumzinnoxidplatte dicht verschlossen. Belichtung mit sichtbarem Licht führt zum Auftreten einer Photospannung.An aqueous paste of the catalyst was used to produce the photoelectrode (1c) applied to indium tin oxide glass and dried at 140 ° C. for 30 min. The glass plate was placed in the rubber-sealed cell introduced, covered with the redox electrolyte and with the second Indium tin oxide plate tightly sealed. Exposure to visible light leads to the occurrence of photo tension.

Claims (16)

1. Photokatalysatoren, im wesentlichen bestehend zu mindestens 60% aus einem Oxid von Titan, Zink, Eisen, Mangan, Molybdän oder Wolfram oder aus Mischungen solcher Oxide, und zu weniger als 40% aus einem oder mehreren Ionen, ausgewählt aus der Gruppe Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag, Au in Form ihrer Oxide oder Halogenide, einer Absorption im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes (380-780 nm) und einer gleichmäßigen Verteilung aller Atome durch das gesamte Material.1. Photocatalysts, consisting essentially of at least 60% an oxide of titanium, zinc, iron, manganese, molybdenum or tungsten or from mixtures of such oxides, and less than 40% from one or several ions, selected from the group Pt, Rh, Mn, Cr, Ru, Ni, Pd, Fe, Co, Ir, Cu, Mo, Zr, Re, Ag, Au in the form of their oxides or halides, absorption in the wavelength range of visible light (380-780 nm) and an even distribution of all atoms through the whole Material. 2. Photokatalysatoren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Material eine Porösität größer 5% und eine Gesamtoberfläche größer als 10 m2/g nach BET aufweist.2. Photocatalysts according to claim 1, characterized in that the material has a porosity greater than 5% and a total surface area greater than 10 m 2 / g according to BET. 3. Photokatalysatoren nach Anspruch 1-2 mit TiO2 als Metalloxid.3. Photocatalysts according to claim 1-2 with TiO 2 as the metal oxide. 4. Photokatalysatoren nach Anspruch 1-3 mit Pt- oder Rh-Ionen.4. Photocatalysts according to claims 1-3 with Pt or Rh ions. 5. Photokatalysatoren nach Anspruch 1-4 mit einer Gesamtoberfläche zwischen 30 und 1000 m2/g nach BET.5. Photocatalysts according to claims 1-4 with a total surface area between 30 and 1000 m 2 / g according to BET. 6. Photokatalysatoren nach Anspruch 1-5 mit einem Porendurchmesser zwischen 0,8 und 4 nm.6. Photocatalysts according to claims 1-5 with a pore diameter between 0.8 and 4 nm. 7. Verfahren zur Herstellung von Photokatalysatoren gemäß Anspruch 1 durch katalysierte Polymerisation oder Polykondensation hydrolisierbarer löslicher Verbindungen der Elemente gemäß Anspruch 1, vorzugsweise reine Alkoxy-, gemischte Alkoxy-, Alkoxyoxo-, oder Acetylacetonat-Derivate oder Chloride, Nitrate, Citrate oder andere Carboxylate der gewählten Elemente, bei pH 0 bis 10 in einem Sol-Gel-Verfahren bei pH-Wert zwischen 0-7, gefolgt von mildem Trocknen und langsamem Kalzinieren. 7. The method for producing photocatalysts according to claim 1 by catalyzed polymerization or polycondensation of hydrolyzable soluble Compounds of the elements according to claim 1, preferably pure Alkoxy, mixed alkoxy, alkoxyoxo, or acetylacetonate derivatives or Chlorides, nitrates, citrates or other carboxylates of the selected elements, at pH 0 to 10 in a sol-gel process at pH between 0-7, followed by mild drying and slow calcining.   8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trocknen und das Kalzinieren langsam unter Normaldruck erfolgen.8. The method of claim 7, wherein the drying and calcining done slowly under normal pressure. 9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Trocknen und das Kalzinieren unter überkritischen Bedingungen erfolgen.9. The method of claim 7, wherein the drying and calcining under supercritical conditions. 10. Verfahren nach Ansprüchen 7-9, wobei die Endkalziniertemperatur im Bereich von 120 bis 800°C liegt.10. The method according to claims 7-9, wherein the final calcining temperature in Range is from 120 to 800 ° C. 11. Verwendung von Photokatalysatoren gemäß Anspruch 1-6 zum photokatalytischen Schadstoffabbau in Luft oder Wasser durch Einwirkung von Licht.11. Use of photocatalysts according to claims 1-6 for photocatalytic degradation of pollutants in air or water by exposure of light. 12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei der Katalysator auf einem Träger wie Glas, Keramik, Papier, Mörtel, Zement, Holz, Kunststoff oder Naturstoff aufgetragen wird.12. Use according to claim 11, wherein the catalyst is supported such as glass, ceramics, paper, mortar, cement, wood, plastic or natural material is applied. 13. Verwendung nach Anspruch 11-12, wobei der Schadstoffabbau mit Licht im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes durchgeführt wird.13. Use according to claim 11-12, wherein the pollutant degradation with light in Wavelength range of visible light is carried out. 14. Verwendung nach Anspruch 11-12, wobei der Schadstoffabbau mit Sonnenlicht durchgeführt wird.14. Use according to claim 11-12, wherein the pollutant degradation with Sunlight is carried out. 15. Verwendung nach Anspruch 11-12, wobei der Schadstoffabbau mit künstlichem Licht durchgeführt wird.15. Use according to claim 11-12, wherein the pollutant degradation with artificial light is performed. 16. Verwendung der Photokatalysatoren gemäß Anspruch 1-6 zur Gewinnung von Photostrom nach dem Prinzip einer photoelektrochemischen Solarzelle, wobei der Photokatalysator als photoaktive Schicht eingesetzt wird.16. Use of the photocatalysts according to claims 1-6 for the production of photocurrent based on the principle of a photoelectrochemical solar cell, the photocatalyst being used as a photoactive layer.
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