2. Hy­brid­ma­te­ria­li­en für die Pho­to­ka­ta­ly­se

Unter dem Begriff Photokatalyse werden oberflächenzentrierte Redoxprozesse an licht-aktivierten Halbleitermaterialien subsummiert.  Ein klassisches Beispiel dafür ist Titandioxid, das nach Anregung mit UV-Licht durch Promotion von Elektronen in das Leitungsband eine Ladungstrennung vollzieht, die an der Festkörperoberfläche eine Oxidation von Wasser und/oder eine Reduktion von Luftsauerstoff bewirken kann.  

Abb. 1: Photokatalyse mit Pc/TiO2-Hybridmaterialien.

Die dabei entstehenden reaktiven Sauerstoffspezies (Hydroxyl-Radikal, Superoxid-Radikalanion) können umweltbelastende Stoffe (Smog-Bestandteile, organische Verbindungen, Bakterien, etc.) oxidativ abbauen (Abb. 1). Gravierender Nachteil dieses - mittlerweile auch kommerziell genutzten - Prinzips ist die zwingend notwendige Anregung von TiO2 mit energiereichem UV-Licht, da nur so die Bandlücke von ca. 3.2 eV überwunden werden kann.  Derzeit existieren intensive Bemühungen, die Bandlücke des TiO2 durch geeignete Modifikationen des Kristallgitters zu verringern, um so auch Anwendungen in lichtschwachen Bereichen (Schattenräume, Innenräume etc.) zu ermöglichen.

Abb. 2: Phthalocyaninderivat 4

Wir haben uns dieses Themas angenommen und vorgeschlagen, für Innenraumanwendungen Hybridmaterialien aus photosensibilisierenden Phthalocyanin-Farbstoffen und oxidischen Nanopartikeln zu erzeugen. Die Fähigkeit von Phthalocyaninderivaten, nach Anregung mit sichtbarem Licht Energie auf Luftsauerstoff zu übertragen und reaktiven Singulett-Sauerstoff zu bilden, ist unter der Bezeichnung Photodynamik gut etabliert und hat ihren Eingang vornehmlich in medizinische Anwendungen gefunden (z. B. photodynamische Tumortherapie).

Durch geschickte Wahl einer Ankergruppe für die orthogonale Anbindung von Phthalocyanin-Derivaten auf oxidische Oberflächen ist es uns kürzlich gelungen, ein Hybridmaterial aus TiO2 und 4 herzustellen, dass sowohl photokatalytische Aktivität im UV, als auch photodynamische Aktivität nach Anregung mit Licht der Wellenlänge 690 nm (Rotlicht) zeigt (Abb. 3). Schlüssel dieses Erfolgs ist eine orthogonale Fixierung des Farbstoffs auf der nanopartikulären Festkörperoberfläche durch die in blau dargestellte Triolgruppe in 4, wodurch weitestgehend eine elektronische Entkopplung von Farbstoff und Oxid erreicht wird. Mittlerweile gelang auch der Nachweis, dass das Hybridmaterial nach Rotlichtanregung bakterizid gegenüber Bakterien der Gattung Pseudomonas aeroginosa wirkt, die für ca. 10% der Kreuzinfektionen in Kliniken verantwortlich sind. Als Weiterentwicklungen dieses Themas laufen derzeit Experimente mit perfluorierten Phthalocyanin-Derivaten als Oxidations-resistenten Photosensibilisatoren, sowie Untersuchungen zur Abhängigkeit der relativen Orientierung von Farbstoff und Oxidoberfläche für die Photokatalyse.

Abb. 3: Singulett-Sauerstoff-Nachweis an np-TiO2/4 nach Anregung mit Rotlicht.

Mittlerweile gelang auch der Nachweis, dass das Hybrid-material nach Rotlicht-anregung bakterizid gegenüber Bakterien der Gattung Pseudomonas aeroginosa wirkt, die für ca. 10% der Kreuzinfektionen in Kliniken verantwortlich sind.

Als Weiterentwicklungen dieses Themas laufen derzeit Experimente mit perfluorierten Phthalocyanin-Derivaten als Oxidations-resistenten Photosensibilisatoren, sowie Untersuchungen zur Abhängigkeit der relativen Orientierung von Farbstoff und Oxidoberfläche für die Photokatalyse.