DE102009044926A1 - Photocatalyst device, useful for photocatalytic decomposition of organic substances, comprises a light-guiding element and a photocatalytic substance (comprising e.g. nitrogen-doped titanium dioxide) arranged on the light-guiding element - Google Patents
Photocatalyst device, useful for photocatalytic decomposition of organic substances, comprises a light-guiding element and a photocatalytic substance (comprising e.g. nitrogen-doped titanium dioxide) arranged on the light-guiding element Download PDFInfo
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Photokatalysatoreinrichtung mit einem Lichtelement und einer auf dem Lichtelement angeordneten photokatalytischen Substanz.The invention relates to a photocatalyst device having a light element and a photocatalytic substance arranged on the light element.
Die Photokatalyse und genauer photoassistierte katalytische Reaktion, bei der unter Einwirkung von Licht geeigneter Wellenlänge eine Katalysator-Substanz in einen angeregten Zustand gebracht wird, der dann die notwendige Energie für eine anschließende Reduktion und/oder Oxidation bereitstellt, ist in der Literatur vielfach beschrieben. Als photokatalytische Substanz wird Titandioxid (TiO2), insbesondere in der Form von Anatas eingesetzt. Bekannte Anwendungen sind beispielsweise die Abwasser- oder Abgasreinigung, die Photovoltaik, die photokatalytische Selbstreinigung oder die künstliche Photosynthese.Photocatalysis, and more specifically photoassisted catalytic reaction, in which a catalyst substance is brought into an excited state under the action of light of suitable wavelength, which then provides the necessary energy for subsequent reduction and / or oxidation, has been described many times in the literature. The photocatalytic substance used is titanium dioxide (TiO 2 ), in particular in the form of anatase. Well-known applications include wastewater or waste gas purification, photovoltaics, photocatalytic self-cleaning or artificial photosynthesis.
Die eingangs genannten Photokatalysatoreinrichtungen zur Zersetzung organischer Verbindungen, insbesondere zur Abgasnachbehandlung sind aus zahlreichen Druckschriften bekannt. Beispielhaft wird auf die Patentschrift
Aus der Patentschrift
Auch aus der
Auch in der
Eine Weiterbildung der Photokatalysatoreinrichtung mit gebündelten. Glasfasern ist aus der
Die
Die Eignung von Titandioxid als photokatalytische Substanz ist auf dessen Halbleitereigenschaft mit einer Bandlücke zurückzuführen, deren Energieabstand einer Licht-Wellenlänge von etwa 390 nm entspricht. Licht mit dieser oder einer kürzeren Wellenlänge vermag in dem Material Elektron-Loch-Paare, also einen inneren photoelektrischen Effekt zu erzeugen, der die Ausgangsbasis zur Erzeugung von Radikalen für die Zersetzung organischer Substanzen bildet. Somit kommt als Anregungsenergie überwiegend nur ultraviolettes Licht in Frage, welches gemessen an dem sichtbaren Anteil der terrestrischen Sonnenstrahlung nur einen sehr geringen Anteil ausmacht. Für eine effiziente photokatalytische Wirkung wird deshalb eine künstliche Lichtquelle benötigt. Desweiteren hat die Verwendung von UV-Licht den Nachteil, dass für die Lichtleitung nur Quarzgläser zur Anwendung kommen können und eine Vielzahl kostengünstigere Lichtleitermaterialien in diesem Spektralbereich ungeeignet ist.The suitability of titanium dioxide as a photocatalytic substance is due to its semiconductor property with a band gap whose energy gap corresponds to a light wavelength of about 390 nm. Light with this or a shorter wavelength can create electron-hole pairs in the material, that is to say an internal photoelectric effect, which forms the starting point for generating radicals for the decomposition of organic substances. Thus, as excitation energy predominantly only ultraviolet light comes into question, which makes up only a very small proportion of the visible fraction of terrestrial solar radiation. For an efficient photocatalytic effect is therefore an artificial Light source needed. Furthermore, the use of UV light has the disadvantage that for the light pipe only quartz glasses can be used and a variety of less expensive optical fiber materials in this spectral range is unsuitable.
Die Aufgabe vor dem Hintergrund des vorstehenden Stands der Technik ist es, eine Photokatalysatoreinrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auch unter der Verwendung von Licht anderer Wellenlänge, insbesondere von sichtbarem Licht, eine effiziente photokatalytische Zersetzung organischer Substanzen ermöglicht und die zudem kostengünstig in ihrer Herstellung ist.The object against the background of the above prior art is to provide a photocatalyst device of the type mentioned, which also allows the use of light of different wavelength, in particular visible light, an efficient photocatalytic decomposition of organic substances and also cost in their production is.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Photokatalysatoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a photocatalyst device with the features of
Als photokatalytische Reaktion im Sinne dieser Schrift werden sogenannte photosensibilisierte Reaktionen verstanden. Bei Reaktionen dieser Art wird die als Photokatalysator oder photokatalytisch (aktiv) bezeichnete Substanz durch Licht in einen elektronisch angeregten Zustand überführt, in dem sie dann katalytisch aktiv ist. Bei einigen der im Folgenden als photokatalytisch bezeichneten Substanzen gibt es Hinweise darauf, dass es sich hierbei nicht um Katalysatoren im strengen Sinne handeln könnte, da sie sich im Laufe der Reaktion umsetzen bzw. umwandeln, wobei ihre photokatalytische Aktivität verloren geht. Hierbei müsste man streng genommen von einer durch diese Substanzen „assistierten Photoreaktion” sprechen. Im Rahmen dieser Anmeldung werden unter photokatalytischen Reaktionen sowohl die klassischen photosensibilisierten katalytischen Reaktionen als auch die in vorstehendem Sinne assistierten Photoreaktionen verstanden.As a photocatalytic reaction in the sense of this document, so-called photosensitized reactions are understood. In reactions of this type, the substance called photocatalyst or photocatalytic (active) is converted by light into an electronically excited state in which it is then catalytically active. For some of the substances referred to below as photocatalytic, there are indications that these could not be catalysts in the strict sense, since they react or transform during the course of the reaction, whereby their photocatalytic activity is lost. Strictly speaking, one would have to speak of a "photoreaction" assisted by these substances. In the context of this application, photocatalytic reactions are understood as meaning both the classic photosensitized catalytic reactions and the photoreactions assisted in the above sense.
Erfindungsgemäß weist die photokatalytische Substanz Bi2O3 und/oder N-dotiertes TiO2 und/oder C-dotiertes TiO2 und/oder S-dotiertes TiO2 und/oder eine binäre Bismut-Metalloxid-Verbindung auf, insbesondere eine Verbindung aus der Gruppe MBiO3·xH2O, mit M = Alkali, x ≥ 0, BiVO4, Bi2MoO6 und Bi2WO6.According to the invention, the photocatalytic substance Bi 2 O 3 and / or N-doped TiO 2 and / or C-doped TiO 2 and / or S-doped TiO 2 and / or a binary bismuth metal oxide compound, in particular a compound of the Group MBiO 3 · xH 2 O, with M = alkali, x ≥ 0, BiVO 4 , Bi 2 MoO 6 and Bi 2 WO 6 .
Bismutoxid weist einen elektronischen Bandabstand von 2,3 bis 2,9 eV in Abhängigkeit von der Präparation des Bismutoxid-Pulvers auf und ist somit hinsichtlich seiner photokatalytischen Aktivität wesentlich weniger begrenzt als TiO2, dessen Bandlücke deutlich größer als 3,0 eV ist. Dies entspricht einer Lichtwellenlänge von 540 nm bis 427 nm und somit in jedem Fall einer Anregungsenergie, die vollständig im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Es hat sich konkret herausgestellt, dass Bismutoxid als photokatalytische Substanz unter Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge größer als 420 nm eine äußerst hohe Photoaktivität aufweist. Dies ermöglicht eine effiziente photokatalytisch assistierte Zersetzungsreaktion von organischen Substanzen unter Verwendung von terrestrischer Sonnenstrahlung und somit ohne Bedarf einer zusätzlichen UV-Lichtquelle. Eine ähnlich hohe Photoaktivität konnte auch unter Verwendung von C-dotiertem TiO2 verzeichnet werden, während N-dotiertes TiO2 eine um etwa 30% reduzierte Photoaktivität aufweist. Auch eine Dotierung des Titandioxides mit Schwefel führt zu einer Verringerung der Bandlücke und damit im Vergleich zu undotiertem TiO2 zu einer erhöhten photokatalytischen Aktivität.Bismuth oxide has an electronic band gap of 2.3 to 2.9 eV as a function of the preparation of the bismuth oxide powder and is therefore substantially less limited in terms of its photocatalytic activity than TiO 2 , whose band gap is significantly greater than 3.0 eV. This corresponds to a light wavelength of 540 nm to 427 nm and thus in each case an excitation energy which is completely in the range of visible light. Specifically, it has been found that bismuth oxide as a photocatalytic substance using light having a wavelength greater than 420 nm has an extremely high photoactivity. This enables an efficient photocatalytically assisted decomposition reaction of organic substances using terrestrial solar radiation and thus without the need for an additional UV light source. A similarly high photoactivity could also be recorded using C-doped TiO 2 , while N-doped TiO 2 has a photoactivity reduced by about 30%. Also, a doping of the titanium dioxide with sulfur leads to a reduction in the band gap and thus compared to undoped TiO 2 to increased photocatalytic activity.
Bevorzugt weist die photokatalytische Substanz α-Bi2O3 und/oder β-Bi2O3 auf.The photocatalytic substance preferably has α-Bi 2 O 3 and / or β-Bi 2 O 3 .
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass das Lichtleitelement wenigstens eine Lichtleitfaser, insbesondere eine brechwertangepasste Lichtleitfaser mit einem lichtleitenden Kern ist, entlang dessen Außenumfangsfläche Streuzentren und die photokatalytische Schicht angeordnet sind.It has proved to be advantageous that the light-guiding element is at least one optical fiber, in particular a refractive index-matched optical fiber with a light-guiding core, along the outer peripheral surface of which scattering centers and the photocatalytic layer are arranged.
Als brechwertangepasste Lichtleitfaser wird im Sinne dieser Schrift eine lichtleitende Faser verstanden, die entweder aus einem Faserkern alleine oder aber aus einem Faserkern und zumindest einem den Kern entlang der Faserachse umschließenden Mantel besteht. Im ersten Fall erfolgt die Lichtleitung in dem Faserkern durch Totalreflexion des in dem Kern geleiteten Lichts an der Grenzfläche zwischen dem Faserkern und dem umgebenden Medium, im zweiten Fall durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Mantel und dem umgebenden Medium, sofern das umgebende Medium einen kleineren Brechungsindex als der Mantel aufweist.For the purposes of this specification, a refractive index-matched optical fiber is understood to be a light-conducting fiber which consists either of a fiber core alone or else of a fiber core and at least one sheath enclosing the core along the fiber axis. In the first case, the light conduction takes place in the fiber core by total reflection of the guided in the core light at the interface between the fiber core and the surrounding medium, in the second case by total reflection at the interface between the cladding and the surrounding medium, if the surrounding medium has a smaller refractive index as the coat has.
Ist der Faserkern entlang der Faserachse von zumindest einem Mantel umgeben, tritt die Totalreflexion und somit die Lichtleitung dann auf, wenn der Mantel einen im wesentlichen zumindest gleich großen Brechungsindex wie der Faserkern aufweist, damit das Licht überhaupt erst aus dem Kern in den Mantel auskoppeln kann. Das Licht wird demnach in dem System als Kern und Mantel geführt. Man spricht in diesem Fall auch von einer brechwertangepassten Kern-Mantel-Faser.If the fiber core along the fiber axis surrounded by at least one jacket, the total reflection and thus the light pipe occurs when the cladding has a substantially at least the same refractive index as the fiber core, so that the light can first decouple from the core into the cladding , The light is thus guided in the system as a core and mantle. In this case, one also speaks of a refractive index matched core-sheath fiber.
Da im allgemeinen eine möglichst gute Führung des Lichts in der Faser angestrebt wird, d. h. dass möglichst wenig Licht bei der Einkopplung in die Faser verlorengeht, wird eine Anpassung des Brechungsindex des Faserkerns (im Fall der Kernfaser) bzw. des Mantels (im Fall der Kern-Mantel-Faser) durch geeignete Materialwahl vorgenommen, so dass der Grenzwinkel, bei dem noch Totalreflexion an der Grenzfläche zum umgebenden Medium stattfindet in geeigneter Weise eingestellt wird.Since in general the best possible guidance of the light in the fiber is sought, ie that as little light as possible is lost in the coupling into the fiber, an adjustment of the refractive index the fiber core (in the case of the core fiber) or the shell (in the case of the core-sheath fiber) is made by suitable choice of material, so that the critical angle at which total reflection takes place at the interface with the surrounding medium is set in a suitable manner.
Seitenemittierend im Sinne dieser Schrift heißt, dass die Faser in der Lage ist, Licht seitlich zu emittieren, unabhängig davon, ob sie in Betrieb ist, d. h. ob tatsächlich eine Lichtquelle angeschlossen und das Licht eingeschaltet ist.For the purposes of this specification, side-emitting means that the fiber is able to emit light laterally, irrespective of whether it is in operation, ie. H. whether a light source is actually connected and the light is on.
Eine seitenemittierende brechwertangepasste Faser ist dementsprechend eine brechwertangepasste Faser, bei der absichtlich Licht aus der Faser ausgekoppelt wird. Dies erfolgt durch die entlang der Außenumfangsfläche der Lichtleitfaser angeordneten Streuzentren. Im Falle der Kernfaser sind die Streuzentren also auf der Außenumfangsfläche des Kerns und im Falle der Kern-Mantel-Faser auf der Außenumfangsfläche des Mantels angeordnet.A side-emitting refractive index matched fiber is accordingly a refractive index matched fiber in which light is intentionally extracted from the fiber. This is done by the scattering centers arranged along the outer circumferential surface of the optical fiber. Thus, in the case of the core fiber, the scattering centers are disposed on the outer circumferential surface of the core and, in the case of the core-sheath fiber, on the outer peripheral surface of the shell.
Im Sinne der Erfindung werden als Streuzentren insbesondere Streupartikel verstanden, die, gleich welcher Form, welchen Materials und/oder welcher Größe, das geleitete Licht streuen können. Streupartikel können durch klassische Streuung, insbesondere Rayleigh- und/oder Mie-Streuung, ebenso wie durch Beugung und/oder Reflexion sowie Mehrfachprozesse vorgenannter Art untereinander ihre streuende Wirkung entfalten. Ihre Aufgabe ist, individuell oder in ihrer Summe auftreffendes Licht dergestalt abzulenken, dass es die Faser verlässt.For the purposes of the invention, the term scattering centers is understood to mean, in particular, scattering particles which, irrespective of their shape, material and / or size, can scatter the conducted light. Scattering particles can unfold their scattering effect by classical scattering, in particular Rayleigh and / or Mie scattering, as well as by diffraction and / or reflection as well as multiple processes of the aforementioned type. Their task is to deflect individually or in their total incident light in such a way that it leaves the fiber.
Da im allgemeinen eine gleichmäßige Auskopplung entlang der gesamten Länge der Lichtleitfaser erwünscht ist, welche eine seitenemittierende brechwertangepasste Lichtleitfaser im Idealfall als ein gleichmäßig leuchtendes Band oder eine gleichmäßig leuchtende Linie erscheinen lässt, werden die Streuzentren bevorzugt möglichst homogen auf der Außenumfangsfläche verteilt angeordnet.In general, since uniform decoupling is desired along the entire length of the optical fiber, which makes a side-emitting refractive index matched optical fiber appear ideally as a uniformly luminous band or line, the scattering centers are preferably distributed as homogeneously as possible on the outer peripheral surface.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Lichtleitfaser vorteilhafterweise eine seitenemittierende Stufenindexfaser mit einem den Kern umschließenden transparenten und/oder transluzenten Mantel, wobei Streuzentren zwischen dem Mantel und dem Kern und die photokatalytische Schicht auf dem Mantel angeordnet sind.According to an alternative embodiment, the optical fiber is advantageously a side-emitting step index fiber having a transparent and / or translucent cladding surrounding the core, wherein scattering centers between the cladding and the core and the photocatalytic layer are disposed on the cladding.
Als Stufenindexfaser im Sinne dieser Schrift werden Fasern verstanden, bei denen die Lichtleitung in dem Faserkern durch Totalreflexion des im Kern geleiteten Lichts an der Grenzfläche zu dem umschließenden Mantel erfolgt. Diese Totalreflexion tritt dann auf, wenn der Mantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als der des lichtleitenden Faserkerns und das auch nur bis zu einem Grenzwinkel βmin des auf den Mantel treffenden Lichts, der gemäß sin(βmin) = n2/n1 mit n1 = Brechungsindex des Faserkerns und n2 = Brechungsindex des Mantels ermittelt werden kann, wobei βmin ausgehend von einer Ebene senkrecht zur Faserachse gemessen wird.As a step index fiber in the context of this document fibers are understood in which the light conduction takes place in the fiber core by total reflection of the light guided in the core at the interface to the enclosing jacket. This total reflection occurs when the cladding has a lower refractive index than that of the photoconductive fiber core and that only up to a critical angle β min of the light striking the cladding, which according to sin (β min ) = n 2 / n 1 with n 1 = refractive index of the fiber core and n 2 = refractive index of the cladding can be determined, wherein β min is measured starting from a plane perpendicular to the fiber axis.
Der Effekt der Seitenemission wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung durch Streuung des in dem Kern geleiteten Lichts in einem im Verhältnis zum Kerndurchmesser dünnen Streubereich zwischen Kern und Mantel erzeugt. Verantwortlich für die Streuung sind die Streuzentren, welche in den Streubereich eingelagert sind. Im Sinne dieser Ausführungsform sind Streuzentren alle Gebilde gleich welcher Form, welchen Materials und/oder welcher Größe, die das geleitete Licht streuen können und die durch inhomogene Bereiche des Glases, in welches sie eingelagert sind, oder durch Streupartikel aus einem anderen Material als das Glas in welches sie eingebettet sind, gebildet werden. Ihre Aufgabe ist, wie vorstehend beschrieben, individuell oder in ihrer Summe auftreffendes Licht abzulenken, so dass es die Lichtleitfaser in das umgebende Medium verlassen kann. Konkret kommen als Streuzentren beispielsweise Streupartikel in Frage, welche in dem Streubereich zwischen dem Kern und dem Mantel beispielsweise in eine Glasschicht eingelagert sind. Alternativ können die Streuzentren durch inhomogene Bereiche eines zwischen dem Kern und dem Mantel eingelagerten Glases gebildet werden. Im ersteren Fall ist der Brechungsindex des den Streubereich bildenden Glases nach Möglichkeit gleich dem Brechungsindex des Kerns, damit das Licht ungehindert zu den darin eingelagerten Streupartikeln gelangen kann.The effect of the side emission is generated in this embodiment of the invention by scattering the guided light in the core in a thin in relation to the core diameter scattering area between the core and cladding. Responsible for the scattering are the scattering centers, which are stored in the scattering area. For the purposes of this embodiment, scattering centers are all entities of whatever shape, material, and / or size that can scatter the guided light and those due to inhomogeneous regions of the glass in which they are incorporated, or scattering particles of a different material than the glass in which they are embedded. Their task is, as described above, to deflect individually or in their total incident light, so that it can leave the optical fiber in the surrounding medium. Specifically come as a scattering centers, for example, scattering particles in question, which are embedded in the scattering between the core and the shell, for example, in a glass layer. Alternatively, the scattering centers may be formed by inhomogeneous regions of a glass interposed between the core and the cladding. In the former case, the refractive index of the glass forming the scattering region is, if possible, equal to the refractive index of the core, so that the light can pass unhindered to the scattering particles embedded therein.
Im letzteren Fall kann der Brechungsindex der eingelagerten Glasschicht mit Inhomogenitäten von dem des Kerns und/oder dem des Mantels abweichen.In the latter case, the refractive index of the embedded glass layer with inhomogeneities may differ from that of the core and / or of the shell.
Auf dem Weg in das umgebende Medium trifft das seitenemittierte Licht dann auf die entlang der Außenumfangsfläche der Lichtleitfaser bzw. des Mantels angeordnete photokatalytische Substanz und regt diese zur Bildung eines Elektron-Loch-Paares an.On the way into the surrounding medium, the side-emitted light then strikes the photocatalytic substance arranged along the outer circumferential surface of the optical fiber or the jacket and stimulates the latter to form an electron-hole pair.
Das Lichtleitelement aus Glasfaser bestehend aus einem Kernglas und einem Mantelglas hat besonders bevorzugt eine der folgenden Zusammensetzungen: Kernglas Variante 1 mit Brechungsindex n1 von 1,65 bis 1,75, beinhaltend (in Mol% auf Oxidbasis)
Die Gläser sind als solche in der Literatur bekannt und können beispielsweise der SCHOTT-Schriftenreihe
In einer weiteren Ausführungsform weist das Lichtleitelement ein plattenförmiges Substrat, besonders bevorzugt aus einem Flach- oder Floatglas auf Kalknatron- oder Borosilicatbasis auf. Auch ist es möglich, durch die parallele Anordnung mehrerer Lichtleitfasern ein aus Fasern bestehendes plattenförmiges Lichtleitelement zu bilden.In a further embodiment, the light-guiding element has a plate-shaped substrate, particularly preferably a flat or float glass based on soda lime or borosilicate. It is also possible, by the parallel arrangement of a plurality of optical fibers, to form a plate-shaped light-guiding element consisting of fibers.
Alternativ kann als Substrat für das Lichtleitelement bevorzugt auch einer der nachfolgend aufgezählten Kunststoffe verwendet werden:
Polycarbonat (PC), Polyacrylat (P), Polymethylmethacrylat (PMMA), Cycloolefinisches Copolymer (COC), Ethylen-Vinylacetat-Copolymer (EVA), Polystyrol (PS), Styrol-Acrylnitril (SAN), fluorierte Polymere, wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), Perflouralkoxy-Copolymer (PFA), oder teilweise fluorierte Polymere der vorgenannten Kunststoffe.Alternatively, one of the plastics enumerated below may preferably also be used as the substrate for the light-guiding element:
Polycarbonate (PC), polyacrylate (P), polymethyl methacrylate (PMMA), cycloolefinic copolymer (COC), ethylene-vinyl acetate copolymer (EVA), polystyrene (PS), styrene-acrylonitrile (SAN), fluorinated polymers, such as. As polyvinylidene fluoride (PVDF), Perflouralkoxy copolymer (PFA), or partially fluorinated polymers of the aforementioned plastics.
Wie auch bei den Gläsern kann ein Lichtleitelement aus Kunststoff aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein, um eine Brechwertanpassung vorzunehmen. Auch der Wellenleiter aus Kunststoff kann als Platte oder als Faser ausgebildet sein.As with the glasses, a plastic light guide can be composed of several layers to make an refractive index adjustment. Also, the waveguide made of plastic may be formed as a plate or as a fiber.
Darüber hinaus sind auch Kombinationen von Kunststoffen und anorganischen Materialien möglich. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Kunststoff durch die hohe photokatalytische Aktivität der aktiven Substanz selbst zersetzt werden würde. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn der Kunststoff durch eine anorganische Schutzschicht vom photokatalytischen Material getrennt ist. Als Materialien für eine solche Schutzschicht kommen beispielsweise SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2 sowie weitere Metalloxide in Frage. Die Schutzschichten können durch übliche Beschichtungsverfahren wie Aufdampfen, Sputtern, Beflammung oder Flüssigbeschichtung, insbesondere nach dem Sol-Gel-Verfahren, aufgebracht werden.In addition, combinations of plastics and inorganic materials are possible. This is particularly advantageous if the plastic itself would be decomposed by the high photocatalytic activity of the active substance. It is particularly advantageous here if the plastic is separated from the photocatalytic material by an inorganic protective layer. Suitable materials for such a protective layer are, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and further metal oxides. The protective layers can be applied by conventional coating methods such as vapor deposition, sputtering, flame treatment or liquid coating, in particular by the sol-gel method.
Lichtleitfasern eignen sich besonders zur Formung eines Substrats, da sie in bekannter Weise mit großen Längen und somit mit einer große Oberfläche in einem relativ kostengünstigen Prozess hergestellt werden können. Optical fibers are particularly suitable for forming a substrate, since they can be manufactured in a known manner with long lengths and thus with a large surface in a relatively inexpensive process.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Lichtleitfaser des Lichtleitelements zu einem Netz, Gewebe oder Knäuel geformt.Preferably, the at least one optical fiber of the light guide is formed into a net, fabric or ball.
Auf diese Weise kann in einem relativ kleinen Volumen eine große Länge an Lichtleitfasern und somit eine große Reaktionsoberfläche des Lichtleitelements zur Aufbringung der photokatalytischen Substanz bereitgestellt werden. Gleichzeitig ist ein solches Netz, Gewebe oder Knäuel hinreichend offenmaschig bzw. offenporig, so dass es, wenn es in einem Gehäuse eingebettet ist, das Hindurchleiten von zu reinigenden Fluiden (Abgas oder Abwasser) erlaubt.In this way, in a relatively small volume, a large length of optical fibers and thus a large reaction surface of the light guiding member for applying the photocatalytic substance can be provided. At the same time such a net, fabric or ball is sufficiently open-meshed or open-pored, so that when it is embedded in a housing, it allows the passage of fluids to be purified (waste gas or wastewater).
Nach einem bevorzugten Aspekt der Erfindung ist die photokatakytische Substanz in Form von Partikeln, insbesondere Nanopartikeln an Trägerpartikel angelagert und dieser Partikelverbund als loses Pulver in dem Netz, Gewebe oder Knäuel der Lichtleitfaser eingebettet.According to a preferred aspect of the invention, the photocatalytic substance in the form of particles, in particular nanoparticles, is attached to carrier particles and this particle composite is embedded as a loose powder in the mesh, tissue or balls of the optical fiber.
Diese nur lose Einbettung der photokatalytisch aktiven Substanz als Pulver hat den Vorteil, dass das photokatalytisch aktive Material nach der Herstellung des Lichtleitelements aufgebracht wird und aufwendige Beschichtungsschritte unterbleiben. Zusätzlich kann das das Lichtleitelement bildende Material ohne Rücksicht auf eine eventuelle Beschädigung der Beschichtung verarbeitet werden, so dass man hier in der Gestaltung und Formgebung sehr flexibel ist.This only loose embedding of the photocatalytically active substance as a powder has the advantage that the photocatalytically active material is applied after the production of the light guide and avoid costly coating steps. In addition, the material forming the light guide element can be processed without regard to any damage to the coating, so that one is very flexible in terms of design and shaping.
Bei dem Trägerpartikelmaterial handelt es sich um Materialien, die üblicherweise als Träger für katalytisch aktive Materialien eingesetzt werden, also beispielsweise Metalloxide wie SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt in der Wechselwirkung zwischen Trägermaterial und katalytisch aktiver Substanz: Bei geträgerten Katalysatoren kommt es in der Regel bei geeigneter Reaktionsführung zu einer Steigerung der Aktivität, da sich die katalytisch aktive Substanz hier besonders feinverteilt abscheidet und so besonders reaktiv ist.The carrier particle material are materials which are usually used as carriers for catalytically active materials, that is, for example, metal oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 . The particular advantage of this embodiment lies in the interaction between the carrier material and the catalytically active substance. In the case of supported catalysts, the activity is generally increased with suitable reaction control, since the catalytically active substance separates out in a particularly finely divided manner and is thus particularly reactive.
Alternativ oder zusätzlich kann das Lichtleitelement mit Partikeln, insbesondere mit Nanopartikel der photokatalytischen beschichtet sein.Alternatively or additionally, the light-guiding element may be coated with particles, in particular with nanoparticles, of the photocatalytic one.
Unter Nanopartikeln werden im Sinne der Anmeldung Partikel mit einer Größe von 1 bis 300 nm in Frage, besonders bevorzugt von 1 bis 100 nm. Der Vorteil der Verwendung von Partikeln, bevorzugt Nanopartikeln, besteht darin, dass man damit die dem System zur Verfügung gestellte katalytisch wirksame Oberfläche gezielt einstellen kann. Bei der Verwendung von Nanopartikeln hat man darüber hinaus den Vorteil, dass aufgrund des hohen Oberfläche-zu-Volumenverhältnisses das photokatalytische Material in einem besonders energiereichen und somit aktiven Zustand vorliegt.For the purposes of the application, nanoparticles are particles having a size of from 1 to 300 nm, particularly preferably from 1 to 100 nm. The advantage of using particles, preferably nanoparticles, is that they allow the catalyst available to be catalytically can specifically set effective surface. When using nanoparticles has the additional advantage that due to the high surface-to-volume ratio of the photocatalytic material is present in a particularly high-energy and thus active state.
Als Beschichtungsverfahren für die Beschichtung mit der photokatalytisch aktiven Substanz kommt beispielsweise die Flüssigbeschichtung in einem Sol-Gel-Prozess, die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), insbesondere Sputtern, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder Plasmasprühen in Frage.As a coating method for the coating with the photocatalytically active substance, for example, the liquid coating in a sol-gel process, the physical vapor deposition (PVD), in particular sputtering, chemical vapor deposition (CVD) or plasma spraying in question.
Die photokatalytische Substanz kann auf die ein oder andere Weise in einer Schicht, direkt auf die äußerste Schicht des Lichtleitelementes (Mantel oder Schutzschicht) aufgebracht werden. Hierbei ist es sowohl möglich, dass eine homogene Schicht ausschließlich aus dem photokatalytisch aktiven Material gebildet wird oder eine Trägerschicht, in die vereinzelte Partikel, bevorzugt Nanopartikeln, der photokatalytischen Substanz eingebettet sind. Als Matrixmaterialien für die Trägerschicht kommen insbesondere wiederum SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2 sowie weitere Metalloxide in Betracht.The photocatalytic substance can be applied in one way or another in a layer directly to the outermost layer of the light-conducting element (sheath or protective layer). In this case, it is possible both for a homogeneous layer to be formed exclusively from the photocatalytically active material or for a carrier layer in which individualized particles, preferably nanoparticles, of the photocatalytic substance are embedded. In particular, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO 2 and further metal oxides may be considered as matrix materials for the carrier layer.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Partikel oder Nanopartikel nur zu einem Teil in die Trägerschicht eingebettet sind, beispielsweise nur zu ¼ bis einem ½ ihres Durchmessers, und im übrigen aus der Oberfläche der Trägerschicht herausragen.It is particularly preferred if the particles or nanoparticles are only partially embedded in the carrier layer, for example only ¼ to ½ of their diameter, and otherwise protrude out of the surface of the carrier layer.
Im weiteren Verlauf werden die so hergestellten Lichtleitfasern zu dem Netz, Gewebe oder Knäuel verarbeitet.In the further course, the optical fibers thus produced are processed into the net, fabric or ball.
Alternativ oder zusätzlich kann zunächst aus der unbehandelten oder der in der vorstehend beschriebenen Weise beschichteten Lichtleitfasern das Netz, Gewebe oder Knäuel gebildet werden, das dann anschließend als ganzes (nochmals) mit einer Schicht aus photokatalytisch aktiven Material versehen wird. Auch diese kann wiederum als homogene Beschichtung aus dem gewünschten Photokatalysatormaterial oder als Trägerschicht mit Partikeln, bevorzugt Nanopartikeln, der photokatalytisch aktiven Substanz ausgebildet sein. Und ach hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Partikel nur zu einem Teil in die Trägerschicht eingebettet sind und im übrigen aus der Oberfläche der Trägerschicht herausragen.Alternatively or additionally, first of the untreated or coated in the manner described above optical fibers, the network, fabric or ball are formed, which then then as a whole (again) is provided with a layer of photocatalytically active material. Again, this may be formed as a homogeneous coating of the desired photocatalyst material or as a carrier layer with particles, preferably nanoparticles, the photocatalytically active substance. And oh, it is particularly preferred if the particles are only partially embedded in the carrier layer and, moreover, protrude out of the surface of the carrier layer.
Wenn die photokatalytisch aktive Substanz in Form von Partikeln oder Nanopartikeln in das System eingebracht wird, besteht eine weitere bevorzugte Ausführungsform darin, dass die Partikel oder Nanopartikel direkt auf die Oberfläche des Lichtleitelements aufgebracht werden und direkt in dieser haften. Dies kann beispielsweise bei Lichtleitfasern während der Beschlichtung der Fasern erfolgen oder bei flachen Glassubstraten im Anschluss an die Heißformgebung, wenn die Oberfläche des Glases noch relativ warm ist und die Partikel oder Nanopartikel gut an ihr haften, sowie bei Kunststoffe im Rahmen der Formgebung. Auf diese Weise wird ein besonders guter Haftverbund zwischen den photokatalytisch aktiven Partikeln und dem lichtleitenden Substrat ermöglicht. Auch hierbei ist eine Ausführung besonders bevorzugt, bei der die Partikel oder Nanopartikel zu einem Teil aus der Substratoberfläche herausragen, da dies eine Vergrößerung der dem System für die Katalyse zur Verfügung stehenden Oberfläche bedeutet.If the photocatalytically active substance in the form of particles or nanoparticles is introduced into the system, a further preferred embodiment consists in that the particles or nanoparticles are applied directly to the surface of the light-conducting element and adhere directly to it. This can be done, for example, with optical fibers during fiber blending, or with flat glass substrates following hot forming, when the surface of the glass is still relatively warm and the particles or nanoparticles adhere well to it, as well as with plastics during molding. In this way, a particularly good bond between the photocatalytically active particles and the photoconductive substrate is made possible. Here, too, an embodiment is particularly preferred in which the particles or nanoparticles protrude in part from the substrate surface, since this means an enlargement of the surface available to the system for catalysis.
Vorzugsweise weist das Lichtleiterelement eine aufgeraute Oberfläche auf.Preferably, the light guide element has a roughened surface.
Durch diese Maßnahme werden auf einfache und kostengünstige Weise Streuzentren erzeugt, die das in dem Lichtleiterelement geführte Licht teilweise aus dem Lichtleitelement herausstreuen. Die photokatalytische Substanz wird folgerichtig auf die aufgeraute Oberfläche aufgebracht.By this measure, scattering centers are generated in a simple and cost-effective manner, which scatter the light guided in the light guide element partially from the light guide. The photocatalytic substance is logically applied to the roughened surface.
Alternativ zu einer aufgerauten Oberfläche kann das Lichtleitelement im allgemeinen (also nicht nur eine Lichtleitfaser) eine Außenoberfläche aufweisen, auf der Streuzentren angeordnet oder in die Streuzentren eingebettet sind.As an alternative to a roughened surface, in general (ie not just an optical fiber), the light-guiding element can have an outer surface, arranged on the scattering centers or embedded in the scattering centers.
Die Streuzentren können in Form von Partikeln also wie bei den seitenemittierenden Lichtleitfasern auf der Außenoberfläche oder in einer brechwertangepassten Mantelschicht des Lichtleitelements angeordnet sein.The scattering centers can thus be arranged in the form of particles, as in the case of the side-emitting optical fibers on the outer surface or in a refractive-index-adapted cladding layer of the light-guiding element.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform besteht das Lichtleiterelement aus einem Bündel von Lichtleitfasern, die in Längsrichtung des Faserbündels an unterschiedlicher Position Bruchstellen aufweisen.In another advantageous embodiment, the light guide element consists of a bundle of optical fibers which have break points in different positions in the longitudinal direction of the fiber bundle.
Durch eine Vielzahl von Lichtleitfasern kann somit bewirkt werden, dass das gesamte Bündel über einen größeren Abschnitt in Längsrichtung des Bündels je nach Bedarf gleichmäßig oder konzentriert auf bestimmte Abschnitte Licht emittiert. An entsprechenden Stellen sind dann auch die Partikel der photokatalytischen Substanz aufzubringen.Thus, a plurality of optical fibers can cause the entire bundle to emit light uniformly over a larger portion in the longitudinal direction of the bundle as needed, or concentrated to specific portions. At appropriate points then the particles of the photocatalytic substance are also applied.
Bevorzugt weist die Photokatalysatoreinrichtung eine künstliche Lichtquelle mit Strahlungsmaximum im sichtbaren Spektrum auf. Die künstliche Lichtquelle steht in lichtleitender Verbindung mit dem Lichtleitelement.The photocatalyst device preferably has an artificial light source with radiation maximum in the visible spectrum. The artificial light source is in light-conducting connection with the light-guiding element.
Die künstliche Lichtquelle weist besonders bevorzugt wenigstens eine LED, Glühlampe oder Gasentladungslampe auf.The artificial light source particularly preferably has at least one LED, incandescent lamp or gas discharge lamp.
Vorgenannte Lichtquellen sind kostengünstig bei hoher Effizienz, insbesondere im Vergleich mit UV-Lichtquellen.The aforementioned light sources are inexpensive with high efficiency, especially in comparison with UV light sources.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Lichtquelle durch Sonnenlicht gebildet. Dementsprechend weist die Photokatalysatoreinrichtung Mittel zum Einsammeln von Sonnenlicht auf, die in lichtleitender Verbindung mit dem Lichtleitelement stehen.In a particularly preferred embodiment, the light source is formed by sunlight. Accordingly, the photocatalyst device has means for collecting sunlight, which are in photoconductive connection with the light-guiding element.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.Other objects, features and advantages of the invention will be explained in more detail by means of embodiments with the aid of the drawings.
Es zeigen:Show it:
Gemäß dem Ausführungsbeispiel aus
In
Abweichend von der in
In der Ausführungsform gemäß
In dem Ausführungsbeispiel gemäß
In
Der Stapel der plattenförmigen Lichtleitelemente
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 1212
- Lichtquellelight source
- 1414
- Fluidströmungfluid flow
- 1616
- Reaktionsraumreaction chamber
- 2020
- plattenförmiges Lichtleitelementplate-shaped light guide
- 2222
- Stirnflächeface
- 2424
- Lichteinkopplunglight coupling
- 2626
- aufgeraute Oberflächeroughened surface
- 2828
- photokatalytische Beschichtungphotocatalytic coating
- 3030
- seitenemittierende LichtleitfaserSide-emitting optical fiber
- 3232
- Kerncore
- 3434
- Mantelcoat
- 3838
- photokatalytische Beschichtungphotocatalytic coating
- 4040
- Faserbündelfiber bundles
- 4242
- Lichtleitfaseroptical fiber
- 4444
- Lichteinkopplunglight coupling
- 4646
- Bruchstellenbreaking points
- 5050
- plattenförmiges Lichtleitelementplate-shaped light guide
- 5252
- Lichtquellelight source
- 5353
- lichtleitendes Kabelphotoconductive cable
- 5454
- lichtleitende Verteilerplattephotoconductive distributor plate
- 5656
- Reaktionsraumreaction chamber
- 5858
- Fluidströmungfluid flow
- 6060
- seitenemittierende LichtleitfaserSide-emitting optical fiber
- 6262
- photokatalytische Partikelphotocatalytic particles
- 6464
- Trägerpartikelcarrier particles
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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