Titanoxid-Nanopartikel für selbstreinigende Wandfarben

Die Nanopartikel sind photokatalytisch aktiv. Sie können mit Hilfe des Sonnenlichts nicht nur Stoffe aus der Luft binden, sondern sie anschließend auch abbauen. Die Wand macht die Luft sauberer und reinigt sich gleichzeitig selbst. Als Rohstoff für die neue Wandfarbe wurde Abfall verwendet – Metallschrott. Dieser müsste sonst weggeworfen werden, ebenso wie getrocknetes Laub.

Katalyseforschung führt zu einer neuen Wandfarbe, die sich selbst reinigt, wenn sie dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, und Luftschadstoffe chemisch abbaut. In der Innenraumluft kommt eine Vielzahl von Schadstoffen vor – von Rückständen von Reinigungsmitteln und Hygieneprodukten bis hin zu Molekülen. Diese entstehen beim Kochen oder werden von Materialien wie Leder freigesetzt. In einigen Fällen kann dies zu gesundheitlichen Problemen führen, was dann als „Sick-Building-Syndrom“ bezeichnet wird.

„Seit Jahren versucht man, mit maßgeschneiderten Wandfarben die Luft zu reinigen“, sagt Professor Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Titanoxid-Nanopartikel sind in diesem Zusammenhang besonders interessant. Sie können ein breites Spektrum an Schadstoffen binden und abbauen.“ Die Zugabe von gewöhnlichen Titanoxid-Nanopartikeln zur Farbe beeinträchtigt jedoch die Haltbarkeit der Farbe. So wie die Schadstoffe von den Nanopartikeln abgebaut werden, können sie auch die Farbe selbst instabil machen und Risse verursachen. Im schlimmsten Fall können sogar flüchtige organische Verbindungen freigesetzt werden, die wiederum gesundheitsschädlich sein können. Nach einer gewissen Zeit wird die Lackschicht grau und verfärbt sich, schließlich muss sie erneuert werden.

Selbstreinigung durch Sonnenlicht

Die Nanopartikel können sich jedoch selbst reinigen, wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Titanoxid ist ein so genannter Photokatalysator – ein Material, das chemische Reaktionen ermöglicht, wenn es geeignetem Licht ausgesetzt wird. Durch die UV-Strahlung werden in den Partikeln freie Ladungsträger erzeugt.

Dies führt dazu, dass die in der Luft eingeschlossenen Schadstoffe in kleine Teile zerlegt und freigesetzt werden. Auf diese Weise werden die Schadstoffe unschädlich gemacht, bleiben aber nicht dauerhaft an der Wandfarbe haften. Die Wandfarbe bleibt auf Dauer stabil.

In der Praxis ist dies jedoch wenig sinnvoll. Es wäre mühsam, die Wand immer wieder mit intensivem UV-Licht zu bestrahlen, um den Selbstreinigungsprozess anzutreiben. „Unser Ziel war es daher, diese Partikel so zu modifizieren, dass der photokatalytische Effekt auch durch normales Sonnenlicht ausgelöst werden kann“, so Rupprechter weiter. Dies wird erreicht, indem den Titanoxid-Nanopartikeln bestimmte zusätzliche Atome, wie Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff, hinzugefügt werden. Dadurch ändern sich die Lichtfrequenzen, die von den Partikeln aufgenommen werden können, und die Photokatalyse wird nicht mehr nur durch UV-Licht, sondern auch durch normales sichtbares Licht ausgelöst.

96% Schadstoffabbau

„Wir haben dieses Phänomen nun mit verschiedenen Methoden der Oberflächen- und Nanopartikelanalyse sehr detailliert untersucht“, sagt Qaisar Maqbool, Erstautor der Studie. „Auf diese Weise konnten wir genau zeigen, wie sich diese Partikel verhalten, bevor und nachdem sie der Wandfarbe zugesetzt wurden.“

Das Forscherteam mischte die modifizierten Titanoxid-Nanopartikel mit gewöhnlicher, handelsüblicher Wandfarbe und spülte eine gestrichene Oberfläche mit einer schadstoffhaltigen Lösung ab. Anschließend konnten 96 % der Schadstoffe durch natürliches Sonnenlicht abgebaut werden. Die Farbe selbst verändert sich nicht, da die Schadstoffe mit Hilfe des Sonnenlichts nicht nur gebunden, sondern auch abgebaut werden.

Metallabfälle als Rohmaterial

Für den wirtschaftlichen Erfolg solcher Farben ist es auch wichtig, teure Rohstoffe zu vermeiden. „In der Katalyse werden zum Beispiel Edelmetalle wie Platin oder Gold verwendet. In unserem Fall genügen aber Elemente, die überall leicht verfügbar sind“, erklärt Rupprechter.

„Zur Gewinnung von Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoff haben wir getrocknetes Falllaub von Olivenbäumen verwendet, und das Titan für die Titanoxid-Nanopartikel wurde aus Metallabfällen gewonnen, die normalerweise einfach weggeworfen werden“, so Rupprechter weiter. Diese neuartige Wandfarbe vereint gleich mehrere Vorteile in sich. Sie bindet Schadstoffe aus der Luft, sie hält länger als andere Anstriche. Sie ist sogar ressourcenschonender in der Herstellung, da sie aus recycelten Materialien gewonnen werden kann. Weitere Versuche werden durchgeführt, und die Kommerzialisierung der Wandfarbe ist geplant.

Wenn Sie mehr Informationen über die Entwicklung selbstreinigender Wandfarben mit Hilfe von Titandioxid-Nanopartikeln interessieren, wurde die Forschung in ACS Publications im März 2024.