Entwicklung photokatalytischer Eloxalschichten zur Erzeugung funktionaler Aluminiumoberflächen

Motivation

Die Luftverschmutzung durch Stickoxide stellt aktuell eines der Hauptprobleme für die Luftqualität in Städten dar. Zu diesem Ergebnis kommt das Umweltbundesamt (UBA) in seinem Bericht 2016, wonach über die Hälfte aller verkehrsnah gelegenen Messstationen die europäischen Grenzwerte von Stickstoffdioxid (NO₂) im Jahresmittel überschreiten. Aus diesem Grund hat die Arbeitsgruppe Korrosion des DECHEMA-Forschungsinstituts (DFI) in Kooperation mit dem Forschungsinstitut Edelmetalle+Metallchemie (fem) und der Leibniz Universität Hannover (TCI) ein Forschungsprojekt zur Entwicklung photokatalytischer Eloxaloberflächen initiiert.

Projektziel

Ziel dieses Projektes ist es, anodisch oxidierte Aluminiumsubstrate mit photokatalytischen Eigenschaften zu versehen, um einerseits die Stickoxidbelastung in Städten zu verringern und andererseits die Oberflächen mit selbstreinigenden und antibakteriellen Eigenschaften auszustatten. Die Einlagerung der Titandioxid-Nanopartikel in die hochstrukturierte Eloxalschicht führt dazu, dass schädliche Stickoxide an der Eloxaloberfläche mit Hilfe von Sonnenlicht durch Photokatalyse zu ungiftigen Nitraten umgewandelt werden können. Die dabei entstehenden Nitrate werden mit Wasser (z.B. Regen oder Spritzwasser) von der Oberfläche gewaschen. Neben schädlichen Stickoxiden können auch organische Kontaminationen durch Photokatalyse zersetzt werden. Unterstützt wird diese Eigenschaft durch den Effekt der „Superhydrophilie“, der durch die Hydroxyl-Funktionalität des Titandioxids erzeugt wird.

Das Projekt beinhaltet drei grundsätzliche Schritte, nämlich die gezielte Strukturierung von Eloxaloberflächen, die Synthese von photokatalytisch aktiven Titandioxid-Partikeln sowie deren Einlagerung in die Eloxalporen. Entscheidend ist dabei die Herstellung von möglichst kleinen, photoaktiven TiO₂ Nanopartikeln (ideal: Partikelgrößen ≤20 nm), bei gleichzeitiger Variation der Oberflächenladung (Zeta-Potential) in unterschiedlichen Lösemitteln. Die technische Herausforderung bei der Entwicklung der Schichten besteht darin, diese so zu applizieren, dass die hohe photokatalytische Aktivität nicht beeinträchtigt wird und ein fester Verbund zwischen Substrat und dem photokatalytisch aktiven Titanoxid gewährleistet ist. Das geplante Forschungsprojekt beschreibt daher die konkrete Entwicklung von zwei unabhängigen Prozessvarianten, bei denen photokatalytisch wirksame TiO₂ Nanopartikel einerseits elektrophoretisch und andererseits per Tauchverfahren in die Porenstruktur des eloxierten Aluminiums eingelagert werden sollen.

Abbildung: Schematischer Ablauf der elektrochemischen und ultraschallunterstützten Tauchimprägnierung von zuvor synthetisierten TiO₂-Nanopartikeln in die unterschiedlichen meso- bzw. makroporösen Oberflächen.

Dabei sollen auch die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren untersucht werden, um den anwendungsgerechten Einsatz der jeweiligen Prozessvariante zu ermitteln. Es wird angenommen, dass durch elektrophoretische Einlagerung mehr Partikel in die Porenstruktur eingebracht werden können, als beim Tauchverfahren. Unter anderem der Füllgrad der Eloxalporen ist dabei wichtig, da einige Oberflächen (z.B. Aluminiumfassaden) in regel-mäßigen Abständen einem abrasiven Reinigungsprozess unterliegen. Die photokatalytische Aktivität resultiert nach solchen Reinigungsprozessen lediglich aus dem eingelagerten photokatalytischen Material, wodurch die elektrophoretisch imprägnierten Oberflächen im Vorteil sind. Dahingegen eignet sich das kostengünstigere, ggf. ultraschallunterstützte Tauchverfahren besser für Oberflächen aus dem Bereich der Hygiene-, Sanitär- und Medizinaltechnik, die eher selten einem abrasiven Reinigungsprozess ausgesetzt werden. Um die finanzielle Belastung der KMUs bei der Umsetzung der Projektergebnisse so gering wie möglich zu gestalten, sind beide Verfahrensvarianten in die bestehenden Anodisationslinien integrierbar.

Das IGF-Vorhaben Nr. IGF 20136 N der Forschungsvereinigungen Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie e.V. (fem), DECHEMA e.V. und GfKORR - Gesellschaft für Korrosionsschutz e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.