Untersuchung von Werkstoffsystemen für photokatalytisch hocheffiziente Baustoffe
01.09.2014 bis 31.08.2017
KRONOS INTERNATIONAL, Inc.
Städtische Räume besitzen durch die Bebauung eine sehr große Oberfläche, die hauptsächlich durch Baustoffe (Beton, Fassadenfarbe, Dachziegel, Glas usw.) gebildet wird. Fast alle Baustoffe können potenziell durch die Ausrüstung mit Titandioxid (TiO2) mit einer photokatalytischen Aktivität versehen werden. Diese verspricht enorme Vorteile:
Beide Effekte werden bereits heute im Labor mit großen Effizienzen erreicht. Im Einsatz am Freilandobjekt jedoch können diese Laborergebnisse aktuell nicht erreicht werden. Das Verständnis für die Langzeitwirkung und die Wechselwirkungen der unterschiedlichsten Umwelteinflüsse auf die photokatalytische Oberfläche ist aktuell nicht ausreichend, um die gemessenen Unterschiede zu erklären und die Schaffung neuer Materialien gezielt voranzutreiben. Diese Problematik will das Verbundprojekt "PureBau" nachhaltig lösen. Drei wesentliche Forschungsschritte sind hierzu erforderlich:
Das Projektkonsortium wird diese Schritte im Rahmen des dreijährigen Projekts anhand mehrerer Materialien und Baustoffe durchführen. Im Einzelnen sind dies: Spezialzement, Betonwaren (Pflastersteine), Fassaden- und Innenfarben, Dachziegel und verschiedene TiO2- Granulate/Slurries/Pulver/Premixe. Dabei wird die gesamte Wertschöpfungskette der Werkstoffproduktion einbezogen, von den wissenschaftlichen Grundlagen, über Rohstoffe bis hin zur Herstellung von Werkstoffen und industrierelevanten Materialien aus diesen Werkstoffen. Aus diesem Ansatz entstehen nicht nur mehrere Demonstratoren hocheffektiver Photokatalysewerkstoffe, sondern es wird vor allem das Verständnis für die Grundlagen wesentlich erhöht und damit der gesamte Technologiebereich vorangetrieben. Das Projekt hat damit eine herausragende Bedeutung für den städtischen Lebensraum und für die deutsche Wirtschaft.
Research Services
Peschstr. 5, 51373 Leverkusen
Dr. Thomas Koch
T: +49-214-356-2259 | F: +49-214-356-2278
13N13344
Teilvorhaben: Wechselwirkungen zwischen Photokatalysator und umgebenden Baustoffsystemen
Fachgebiete von KRONOS sind der TiO2-Photokatalysator und dessen Formen (Granulat/Slurry/Pulver/Premix). Die Hauptforschungsaktivitäten liegen im Vorhaben auch in diesen beiden Bereichen. Dabei wird eng mit den anderen Mitgliedern der AG Werkstoffe zusammengearbeitet, wenn es um die Erforschung der Einflüsse von Werkstoffmaterialien, Zuschlagstoffen usw. auf den Photokatalysator geht. Zudem wird auch ein intensiver Knowhow- Transfer zwischen den Partnern erfolgen.
Geplant ist die Erforschung und Anpassung der TiO2-Form (pH-Wert, Additive, Dispergiergrad, Granulation usw.) entsprechend den Untersuchungsergebnissen der Werkstoffsystemwechselwirkungen und die labortechnische Erstellung der angepassten Photokatalysatoren. KRONOS stellt den Partnern im Projekt Funktionsmuster und später Demonstratormaterialien des Photokatalysators für Versuche und die Erstellung von Referenzmustern, Funktionsmustern und Demonstratoren frei zur Verfügung. Zudem führt KRONOS an seinen bestehenden Laborbewitterungsgeräten und Freiland-Anlagen einen Teil der geplanten Bewitterungsversuche verschiedener Versuchswerkstoffe durch.
Vernetzung im Projekt:
KRONOS übernimmt zudem die Konsortialleitung und ist somit u. a. für die Koordination der Verbundpartner im Projektverlauf zuständig.
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Institut für Hochfrequenztechnik
Schleinitzstr. 22, 38106 Braunschweig
Dr. Hans-Hermann Johannes
T: +49-531-391-2006 | F: +49-531-391-2074
13N13349
Erforscht wird die Chemie des Lumineszenzfarbstoffs für das Messsystem mittels der Untersuchung des Einflusses der Oberflächeneigenschaften auf den Farbstoff. Dieser Farbstoff wird auf Basis dieser Ergebnisse modifiziert, um ein Messverfahren zu erhalten, das möglichst robust und zuverlässig funktioniert und keine Abhängigkeit von der gemessenen Oberfläche aufweist. Zudem soll das Spektrum der messbaren Wellenlängen erweitert werden, um die Aussagen zur Photokatalyseeffizienz bei Einstrahlung von Wellenlängen im sichtbaren Bereich zu ermöglichen (VIS-Farbstoff). Das IHF unterstützt Omicron durch die Erforschung eines optimierten Applikationsverfahrens für den Lumineszenzfarbstoff (Verdampfung, Sublimation, Polymerfolien – Spaltabbau).
Vernetzung im Projekt:
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Keimstr. 16, 86420 Diedorf
Bettina Heyne
T: +49-821-4802-165 | F: +49-821-4802-210
bettina.heyne(at)keimfarben.de
13N13352
Keimfarben erforscht den Bereich der Silikatfarben. Die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Farbbestandteilen und dem Photokatalysator werden systematisch untersucht.
Es werden Demonstratoren mit Fassaden- und Innenanstrichen hergestellt. Keimfarben unterstützt zudem bei der Durchführung von Freiland-Bewitterungsversuchen und Langzeittests zur Stabilität der Photokatalyse, wobei auch die Funktionsmuster des zu erforschenden Messsystems angewendet werden, um ein Feedback zu dessen iterativer Modifizierung zu geben.
Vernetzung im Projekt:
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Institut für Technische Chemie
Callinstr. 3, 30167 Hannover
Prof. Dr. Detlef Bahnemann
T: +49-511-7625-56 | F: +49-511-7622774
bahnemann(at)iftc.uni-hannover.de
13N13350
Das TCI wird die vom Projektpartner KRONOS bereitgestellten Halbleitermaterialien in Hinblick auf die grundlegenden Lichtabsorptions- sowie die Ladungsträger Generations und Übertragungsmechanismen mittels zeitaufgelöster Laserblitzphotolyse intensiv untersuchen. Darüber hinaus wird die Oberflächenchemie im Dunkeln sowie unter UV(A-Bestrahlung ortsaufgelöst mittels ATR-FTIR-Spektroskopie studiert, um den Photokatalysator besser zu verstehen. Hierzu wird der Einfluss unterschiedlicher Oberflächen-pH-Werte (1-14) auf die photokatalytische Zersetzung von Schadstoffen an den reinen Photokatalysatormaterialien untersucht. Des Weiteren werden die Wechselwirkungen des Photokatalysators mit unterschiedlichen Molekülgruppen (Nitrat-, Sulfat-, Phosphat- und Carboxylgruppen) erforscht, sowie der Einfluss von Sauerstoffradikalen bei den laserblitzphotolytischen Analysen. Die grundlegende Charakterisierung der chemischen Wechselwirkungen (molekulare Oberflächenchemie) wird durch Infrarotspektroskopie zur Messung von Molekülveränderungen erfolgen. Die genannten zeit- und ortsaufgelösten spektroskopischen Untersuchungsmethoden werden auch eingesetzt, um in Kooperation mit IHF und IST den Mechanismus der Adsorption sowie den photokatalytischen Abbau des im Projekt zu erforschenden Lumineszenzfarbstoffs zu analysieren Vernetzungen im Projekt:
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Bienroder Weg 54 E, 38108 Braunschweig
Frank Neumann
T: +49-531-2155-658 | F: +49-531-2155-900
frank.neumann(at)ist.fraunhofer.de
13N13347
Das IST erforscht den photokatalytischen Farbstoffabbau, neue Lumineszenzfarbstoffe sowie deren Applikationsverfahren. Ein Aufgabenbereich ist dabei die Charakterisierung der Effektivität unterschiedlicher Farbstoffe auf unterschiedlichen Oberflächen. Die Arbeiten des IST dienen auch als Schnittstelle zwischen IHF und Omicron, denn die Lumineszenzfarbstoffe werden auf die Anwendung im Messverfahren optimiert, um einen möglichst kurzen Messprozess zu ermöglichen. Daher übernimmt das IST die Leitung der AG Messsystem.
Vernetzung im Projekt:
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MPA Berlin-Brandenburg
Voltastr. 5, 13355 Berlin
Dr. Ralf Röben
T: +49-30-467761-32 | F: +49-30-467761-10
13N13353
Kiwa erforscht den Einfluss der Photokatalyse und Werkstoffchemie auf die bautechnischen Eigenschaften der Werkstoffe. Die Auslegung und Durchführung der bautechnischen Analysen mit Versuchsmustern, Funktionsmustern und Demonstratoren der AG Werkstoffe ist eines der Hauptaktionsfelder von Kiwa. Kiwa wird die Charakterisierung von Betonpflastersteinen verschiedener Erstellarten (Dosierart, Mischprozedere usw.) bezüglich räumlicher Verteilung des TiO2 durchführen. Weiterhin werden Porositätskenndaten als wichtige Materialeigenschaften für die Dauerhaftigkeit und für Transportvorgänge im Werkstoff analysiert. Gemeinsam mit BAU werden Oberflächen in Bezug auf Aufwachsungen und Ausblühungen mit lichtmikroskopischen und elektronenmikroskopischen Verfahren untersucht und charakterisiert. Zudem wird Kiwa Möglichkeiten zur Steigerung der photokatalytischen Effizienz fertiger Baustoffe durch nachträgliche Behandlungen (chemisch/mechanisch) erforschen.
Vernetzung im Projekt:
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(Derzeit liegt leider keine Information hierzu vor.)
13N13354
In diesem Teilprojekt BAU werden die makroskopischen Effekte der verschiedenen Wechselwirkungen in Werkstoffsystemen und deren Korrelation mit der photokatalytischen Aktivität erforscht. Zunächst soll die Effizienz der Photokatalyseschicht im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik mit Hilfe einer wirksameren Verteilung des photokatalytisch aktiven TiO2 an der Oberfläche deutlich gesteigert werden. Dabei spielt die Verteilung des TiO2-Photokatalysators sowohl innerhalb der Baustoffsysteme als auch an der Oberfläche der Substrate eine wesentliche Rolle. Zur Effizienzsteigerung sollen besondere Rezepturen und Mischungen für die unterschiedlichen Substrate untersucht werden. Die Steigerung der Katalysewirkung soll auch bewirken, dass die Menge des eingesetzten Katalysators verringert werden kann und dadurch Material- und Kostenverringerungen erzielt werden können.
Ein weiteres wichtiges Ziel des Instituts für Bauingenieurwesen, Fachgebiet Baustoffe und Bauchemie (BAU) ist die Charakterisierung von Ausblühungen, die durch Überdeckung der Photokatalyseschichten die Photokatalysewirkung einschränken oder sogar ganz verhindern können. Für diesen Forschungsbereich werden Ausblühungen in künstlichen Klimata reproduzierbar erzeugt und der Einfluss dieser Ausblühungen auf die photokatalytische Aktivität untersucht.
Für photokatalytisch beschichtete Substrate, auf denen Ausblühungen zu einer verringerten katalytischen Wirksamkeit geführt haben, sollen mechanische oder chemische Verfahren zur Nachbehandlung untersucht werden. Diese Verfahren müssen einerseits die negativen Effekte der Ausblühungen ausschalten, dürfen andererseits nicht die Wirkung der Photokatalyseschicht beeinflussen. Prophylaktisch gegen Ausblühungen sind Rezepturen mit bauchemischen Zusatzmitteln und Zusatzstoffen zu erforschen. Erforderlichenfalls müssen Ausblühungen begünstigende Komponenten in der Betonmischung ausgetauscht oder verringert werden, dies fällt jedoch hauptsächlich in den Aufgabenbereich der Teilprojekte von Dyckerhoff, ERLUS, FCN und Keimfarben. Die Wirkungen aller Rezepturänderungen auf die photokatalytische Aktivität und auf relevante Baustoffparameter sollen von BAU erfasst und bewertet werden.
BAU möchte zudem die aktuellen Messmethoden für die Flächen- und Tiefenverteilung des Photokatalysators (PK) vorantreiben.
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Wilhelm Dyckerhoff Institut
Dyckerhoffstr. 7, 65203 Wiesbaden
Andrea Kreuzburg
T: +49-611-676-1761 | F: +49-611-676-1720
andrea.kreuzburg(at)dyckerhoff.com
13N13351
Dyckerhoff erforscht den Einfluss verschiedener anorganischer Zementbestandteile und Betonzusatzmittel auf die Photokatalyseeffizienz zum Abbau von Schadstoffen an der Werkstoffoberfläche. Ergänzend wird auch der Einfluss der Photokatalyse auf die Werkstoffchemie und die Eigenschaften des späteren Baustoffs untersucht. Der Photokatalysator ist im kompletten Werkstoff vorhanden bzw. wird gezielt an den Werkstoffoberflächen angereichert. Daher wird Dyckerhoff auch die Alterung und das Ausblühverhalten des neuen Werkstoffs und dessen Einfluss auf den Schadstoffabbau untersuchen.
Weiterhin wird Dyckerhoff neue Lösungsmöglichkeiten in der Verfahrenstechnik bei der Herstellung zementgebundener Baustoffe erforschen, da davon auszugehen ist, dass die Wirksamkeit von Photokatalysatoren auch von der Herstellungstechnologie der Baustoffe abhängt. Die Dispergierung der Photokatalysatoren im Zement oder Beton sowie die Fixierung der Photokatalysatoren spielen ebenso eine Rolle wie die Zusammensetzung.
Im Rahmen des Projektes werden Referenzbaustoffe und Versuchswerkstoffe erstellt, die in eigenen Versuchen, Bewitterungstests, Analysen der AG Analytik und Versuchen der AG Messsystem verwendet werden.
Vernetzung im Projekt:
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Hauptstraße 106, 84088 Neufahrn / Nb.
Dr. Carsten Ackerhans
T: +49-8773-18-430 | F: +49-8773-18-431
carsten.ackerhans(at)erlus.com
13N13346
Der Forschungsbereich, den ERLUS bearbeitet, ist die Verwendung von Photokatalysatoren in hauptsächlich anorganischen Beschichtungen auf engobierten Dachziegeln. Die Auswirkungen der unterschiedlichen Bestandeile dieser Materialsysteme auf die photokatalytische Aktivität und der Einfluss des Photokatalysators auf diese Materialsysteme werden von ERLUS erforscht. Weiterhin werden Versuchswerkstoffe, Funktionsmuster und Demonstratoren neuer industrierelevanter Baustoffe (Tondachziegel) erarbeitet.
Es werden Referenzbaustoffe und Versuchswerkstoffe für das Projekt bereitgestellt, die in den eigenen Versuchen, den Bewitterungstests, den Analysen der AG Analytik und den Versuchen der AG Messsystem verwendet werden.
Vernetzung im Projekt:
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Ruprechtstr. 24, 36037 Fulda
Andreas Günther-Plönes
T: +49-661-8387-216 | F: +49-661-8387-268
andreas.ploenes(at)nuedling.de
13N13345
Der Einfluss von Bestandteilen, die in Betonfertigwaren eingesetzt werden, wird von FCN untersucht. Zudem soll das Verhalten von Nanopartikeln (Photokatalysator) bei wechselnden Wassergehalten, wie sie bei der Herstellung von Betonfertigwaren unvermeidbar sind, erforscht werden. Das hauseigene Technikum und Labor wird zur Erstellung bzw. Untersuchung von Betonfertigwaren eingesetzt, um die Teilprojekte zur Erarbeitung des Messsystems und zur Analyse der grundlegenden chemischen Oberflächenwechselwirkungen zu unterstützen.
Vernetzung im Projekt:
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Rodgau
13N13348
Teilvorhaben: Messtechnische Umsetzung des Lumineszenzabbauverfahrens
(Derzeit liegt keine Beschreibung des Teilvorhabens vor.)
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