Im Teilbereich Photokatalyse kommt ein modernes durch das EFRE.NRW und die EU gefördertes Photolumineszenzspektrometer vom Typ Flurolog 3 mit zahlreichen Erweiterungen zum Einsatz.

Im Projektverlauf ist in der AG Barcikowski das Laser-Defekt-Engineering in Wasser (siehe Abb. 1a) etabliert und sowohl für ein reines auf der Rutilstruktur basierendes TiO2 und ein kommerzielles Mischphasen (25% Rutil, 75% Anatas) TiO2 (P25, Evonik) angewendet worden. Da die Teile der Anatasmodifikation im P25 bei der Laserbehandlung in das thermodynamisch stabilere Rutil umgewandelt werden, dient die reine Rutil an dieser Stelle als Modelmaterial, um den laserinduzierten Effekt der Rutilbildung (nur im P25) und der Defekterzeugung (im P25 und der reinen Rutilreferenz) auf die katalytische Aktivität getrennt untersuchen und verstehen zu können.

Die Laserbehandelten TiO2 Sorten zeigen mit der Laserbehandlung eine zunehmende Blaufärbung (Abb. 1a, b), welche aus der Defekterzeugung (Farbzentren) hervorgeht. Neben dem fotographischen Einschub von laserbehandelten TiO2 Proben in Abb. 1a, ist die zunehmende Blaufärbung mit steigender Zahl an Laserprozessierungszyklen (im Bild „Passagen“ genannt) anhand der zunehmenden Rotlichtabsorption in der diffusen Reflexionsspektroskopie erkennbar (Abb. 1b). Aus der spektroskopischen Untersuchung der paramagnetischen Resonanz wurde für die gleiche Probenserie ein linearer Anstieg der paramagnetischen Ti3+ Zentren beobachtet (Abb. 1c). Diese stellen die Farbzentren im Material dar und nehmen somit neben weiteren Einflussgrößen einen direkten Einfluss auf die photokatalytische Aktivität.

Hinsichtlich der katalytischen Aktivität zeigt sich für das P25 (Abb. 2a) sowohl bei der katalytischen Selektivoxidation von Ethanol (ohne UV-Licht) als auch der photokatalytischen Wasserspaltung (mit UV-Licht) ein vergleichbarer Trend und ein Aktivitätsmaximum bei 1-3 Passagen (Entspricht 5-15 Laserpulsen). Die katalytische Aktivität der Selektivoxidation steigt hierbei um etwa 75% während die photokatalytische Wasserstofffreisetzung von initial 0,3 mmol(H2) pro Gramm Katalysator und Stunde um den Faktor 100 (!) auf etwa 40 mmol (H2) pro Gramm Katalysator und Stunde ansteigt. Verwendet man hingegen das reine Rutil, so zeigt sich nur eine geringfügige Zunahme der Aktivität nach einer Passage (Abb 2b). Insgesamt deuten die Ergebnisse somit an, dass bei der Laserprozessierung die literaturbekannten synergetischen Eigenschaften von P25 in der Photokatalyse drastisch gesteigert werden können. Im weiteren Projektverlauf sollen die laserbehandelten photokatalytisch aktiven TiO2 Materialien zusätzlich mit lasergenerierten Metallnanopartikeln als Co-katalysator beladen werden. Hierbei bieten sich vor allem plasmonische Goldnanopartikel an, da diese nicht nur die Adsorption der organischen Moleküle begünstigen, sondern mit ihren plasmonischen Eigenschaften ebenfalls die Breitbandabsorption des Photokatalysators unterstützen sollten.