Peripher fluorierte asymmetrische Porphyrazine zur Modifizierung photokatalytisch aktiver Titandioxid-Nanopartikel

Aufgrund der steigenden Bevölkerungszahl und der zunehmenden Industrialisierung ist die Schadstoffbelastung der Luft ein enormes Problem, dessen Behebung für Wirtschaft, Politik und Wissenschaft eine große Herausforderung darstellt. Die Qualität der Außenluft ist dabei nicht das einzige Problem. Die Atemluft in Innenräumen öffentlicher und privater Gebäude kann ebenfalls akut schadstoffbelastet sein. Langfristig muss eine Verminderung des Schadstoffausstoßes eine Verbesserung der Luftqualität bewirken. Um jedoch die Belastung kurzfristig effektiv zu verringern, müssen innovative und wirksame Methoden des Schadstoffabbaus gefunden werden. In dieser Arbeit wurde daher ein photokatalytisch aktives Hybridmaterial entwickelt, dass unter Einfluss des Sonnenlichts reaktive Sauerstoffspezies (•OH, •O2-, 1O2) generiert, die eine Vielzahl organischer und anorganischer Schadstoffe oxidativ abbauen. Als Hybridkomponenten wurden Titandioxid (TiO2)-Nanopartikel sowie als Funktionsfarbstoffe Pyrazino-anellierte Porphyrazine (Pz) eingesetzt. Die Porphyrazine wurden dabei strukturell so modifiziert, dass eine feste und irreversible Anbindung an den Halbleiter TiO2 gewährleistet werden konnte. Um die Chromophore mit einer verstärkten Resistenz gegenüber oxidativen Angriffen auszustatten, wurden in der Peripherie der Verbindungen fluorierte Strukturelemente eingeführt. Als Referenz zu den fluorierten Chromophoren wurde ein entsprechend unfluoriertes Porphyrazin synthetisiert. Photophysikalische Untersuchungen zeigten, dass beide Farbstoffe eine intensive Absorption im sichtbaren und nahen UV-Bereich aufweisen und effizient Singulett-Sauerstoff (1O2) generieren. Durch elektrochemische Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die Fluorsubstituenten zu einer Erhöhung des Oxidationspotentials des Porphyrazins führen und damit die oxidative Stabilität der Verbindung erhöhen. Die Anbindung der Chromophore an den Halbleiter erfolgte sowohl durch Imprägnierung kommerziell erhältlicher TiO2-Partikel (P25) als auch durch ein sogenanntes in situ-Hybridisierungsverfahren, bei dem Partikelaufbau und Farbstoffanbindung innerhalb eines Sol-Gel-Prozesses in situ erfolgten. Nach der Herstellung wurden die Materialien hinsichtlich ihrer Partikelgröße, ihrer Oberflächenladungen sowie ihrer Absorptionseigenschaften untersucht. Studien zur photooxidativen Stabilität der Pz-Komponente im Hybridmaterial stützten die Ergebnisse der elektrochemischen Untersuchungen und zeigten, dass die Fluorsubstituenten zu einer erhöhten Langzeitstabilität der Chromophore führen. Für beide Porphyrazine wurde durch photophysikalische Experimente gezeigt, dass deren Fähigkeit, 1O2 zu erzeugen, auch nach Anbindung an den Halbleiter erhalten bleibt. Um die tatsächliche photokatalytische Wirksamkeit der Hybridpartikel zu untersuchen, wurden Abbaustudien mit dem Modellfarbstoff Rhodamin B durchgeführt. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Hybride sowohl in Gegenwart von UV-Strahlung als auch unter dem Einfluss von sichtbarem Licht den Modellfarbstoff effektiv photooxidieren.