Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Kohlenstoffnitriden (CN) über verschiedene Syntheserouten und deren Untersuchung bezüglich der photokatalytischen Aktivität zur Wasserreinigung bzw. zum Schadstoffabbau. Je nach Syntheseroute sind heptazinbasierte oder triazinbasierte Kohlenstoffnitride zugänglich. Die Kohlenstoffnitride werden auf ihr photokatalytisches Verhalten untersucht, wobei Produkte welche aus einer Polykondensationsreaktion ausgehend von Dicyandiamid in einem offenen Tiegel unter Luft erhalten werden, besonders hohe photokatalytische Aktivitäten aufweisen. Diese Materialien sind in der Lage verschiedene Schad- und Farbstoffe abzubauen. Die Literatur diskutiert defektreiche, unvollständig kondensierte CN-Materialien als besonders photokatalytisch aktiv. Um Rückschlüsse auf den Kondensationsgrad und die Oberflächenpolarität zu ermöglichen, wurde die Oberflächenpolarität (HBD) der CN-Materialien anhand des Kamlet-Taft-Parameters erstmal über eine Analytikmethode bestimmt. Es wird gezeigt, dass das Vorhandensein polarer Gruppen auf der Katalysatorfläche das Adsorptionsverhalten von Schadstoffen an die Katalysatoroberfläche begünstigt und so photokatalytische Abbaureaktionen positiv beeinflusst werden. CN-Materialien mit einer hohen HBD zeigen deutlich höhere Rhodamin B Umsätze, als Materialien mit einer niedrigen HBD. Photokatalytisch besonders aktive Kohlenstoffnitride wurden ausgewählt, um sie für die Schadstoffzersetzung zur Wasserreinigung als Schichten zu immobilisieren. Somit entfällt der für eine potentielle industrielle Anwendung mitunter aufwendige Abtrennungsschritt des Katalysatormaterials. Dazu kommen drei verschiedene Verfahren zum Einsatz. Zum einen werden magnetische Kohlenstoffnitrid/Eisenoxidkomposite hergestellt und diese über ein Airbrush-Sprühverfahren auf magnetische Substrate aufgebracht. Das Sprühverfahren wird auch genutzt, um Kohlenstoffnitridpartikel auf Silikonsubstrate aufzubringen. Darüber hinaus werden vliesartige Polymersubstrate über das Elektrospinnen erzeugt. Diese werden mit Kohlenstoffnitridpartikeln über ein Tauchverfahren beschichtet. Alle hergestellten Schichten werden auf ihr photokatalytisches Potential zum Schadstoffabbau untersucht. Dabei zeigt sich, dass sowohl Triclosan, als auch Ethinylestradiol und Rhodamin B erfolgreich abgebaut werden können.:Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis 3
1 Einleitung und Motivation 6
2 Grundlagen 9
2.1 Methoden zur Abwasserreinigung 9
2.1.1 Abwasserreinigung durch Kläranlagen 9
2.1.2 Einfluss von Medikamentenrückständen auf Mensch und Umwelt 10
2.1.3 Die Einführung der vierten Reinigungsstufe 11
2.2 Grundlagen der Photokatalyse 13
2.2.1 Photokatalytisches Grundprinzip 13
2.2.2 Kinetik und Mechanismen des photokatalytischen Abbaus von Schadstoffen 15
2.2.3 Kohlenstoffnitride als Photokatalysatoren 20
2.2.3.1 Historische Entwicklung und Strukturen von Kohlenstoffnitriden 20
2.2.3.2 Synthesestrategien von Kohlenstoffnitriden 21
2.2.3.3 Anwendung als Photokatalysator 23
2.2.4 Eisenoxide als Photokatalysatoren 25
2.2.4.1 Strukturen und Eigenschaften von Eisenoxiden 25
2.2.4.2 Synthesestrategien von Eisenoxiden 26
2.2.4.3 Anwendung als Photokatalysator 28
2.2.5 Funktionalisierung von Photokatalysatoren 29
2.3 Immobilisierungsmethoden von Photokatalysatoren 30
2.3.1 Überblick über Immobilisierungsmethoden 30
2.3.2 Immobilisierung von Kohlenstoffnitriden 34
2.3.3 Immobilisierung von Eisenoxiden 35
3 Ergebnisse und Diskussion 37
3.1 Synthese und Charakterisierung von Kohlenstoffnitriden 37
3.1.1 CN-Materialien aus der Synthese in evakuierten Quarzglasampullen 37
3.1.2 CN-Materialien aus der Synthese in einer Salzschmelze 44
3.1.3 CN-Materialien aus der Tiegelsynthese 49
3.1.3.1 Untersuchung des Einflusses der Synthesebedingungen auf Struktur und Eigenschaften 49
3.1.3.2 Weitere photokatalytische Untersuchungen mit CN550-T4 56
3.1.3.3 Einfluss der Strahlungsquelle auf den photokatalytischen Abbau mit CN550-T4 62
3.1.4 Vergleich der CN-Materialien erhalten über unterschiedliche Synthesemethoden 66
3.2 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxiden 71
3.3 Synthese und Charakterisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen 74
3.4 Immobilisierung von Photokatalysatoren 81
3.4.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 81
3.4.1.1 Voruntersuchungen 81
3.4.1.2 Optimierung der Schichten und photokatalytische Untersuchungen 84
3.4.2 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 88
3.4.2.1 Darstellung von Polymervliesen über das Elektrospinnen 88
3.4.2.2 Funktionalisierung der Fasern mit CN550-T4-Materialien 92
3.4.2.3 Photokatalytische Untersuchungen der beschichten Vliese 96
3.4.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Silikonsubstraten 98
3.4.4 Vergleich der Immobilisierungsmethoden 106
4 Zusammenfassung und Ausblick 109
5 Experimenteller Teil 113
5.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 113
5.2 Synthese von Katalysatorpartikeln 119
5.2.1 Synthese von Kohlenstoffnitriden in evakuierten Quarzglasampullen 119
5.2.2 Synthese von Kohlenstoffnitriden in einer Salzschmelze 120
5.2.3 Synthese von Kohlenstoffnitrid im Tiegel 121
5.2.4 Synthese von Eisenoxidpartikeln 122
5.2.5 Darstellung von Eisenoxid/CN-Kompositen 123
5.3 Immobilisierung von Photokatalysatoren 123
5.3.1 Immobilisierung von Eisenoxid/CN-Kompositen auf magnetischen Substraten 123
5.3.2 Sprühen von CN-Schichten auf Silikonsubstraten 124
5.3.3 Immobilisierung von CN-Materialien auf Polymervliesen 125
6 Literaturverzeichnis 127
7 Anhang VIII
8 Curriculum Vitae XII
Selbständigkeitserklärung XIII
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76672 |
| Date | 26 November 2021 |
| Creators | Köwitsch, Isabel |
| Contributors | Mehring, Michael, Schwarz, Thomas, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1039/D1RA00790D, 10.1007/s10853-021-06405-z |
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