Tænk dig en verden med FOTOKATALYTISKE SELVRENSENDE OVERFLADER anvendelse af nanoteknologi i hverdagens produkter - spejle der ikke dugger - vinduer der ikke skal pudses - touch displays uden fedtfingre - antibakteriel emballage til fødevarer - bakteriefrie overflader på offentlige toiletter - medicinsk udstyr der steriliseres løbende under brug - luftfiltre i bilen der renser luften for mikroorganismer - tapet der fjerner røg - og madlavningslugt derhjemme - vejbelægninger der katalyserer nedbrydningen af luftforureninger - indkøbsposer der selv sørger for at nedbryde dioxiner når de forbrændes Alt dette og mere til kan opnås ved aktiv brug af fotokatalytisk teknologi. Stikord Selvrensende overflader, nedbrydning af forureninger i luft og vand, fotokatalyse, udvikling af produkter og processer, titandioxid. Kontaktperson Hanne Lauritzen, Teknologisk Institut, tlf.: 72202000/72202493, e-mail: hanne.lauritzen@teknologisk.dk Formål Formålet med Innovationskonsortiet er at stimulere den kommercielle udvikling og brug af fotokatalytiske systemer i Danmark. Dette skal gøres ved at der etableres et konsortium bestående af virksomheder der har kommercielle interesser indenfor fotokatalyse, aktuelle brugere af teknologien og endelig F&U miljøer der arbejder med forståelse og anvendelse af det fotokatalytiske princip. Baggrund Selvrensende overflader og fotokatalyse er på hastig fremmarch i Japan. Fra den spæde start for 7-8 år siden hvor markedet i praksis var nul, er det japanske marked nu på 6.5 milliarder JPY/år (2003) eller 360 millioner DKK/år. Marked for fotokatalytiske produkter er følgelig interessant på grund af sin høje vækstrate, se figur 1. Drivkraften for udviklingen i Japan er samfunds krav om rent vand, ren luft, god hygiejne og æstetiske omgivelser til alle. Disse krav står imidlertid i skarp kontrast til en anden udviklingsdagsorden som er typisk for de vestlige lande. Ifølge denne dagsorden skal den tid og de ressourcer samfundet, individet og den enkelte virksomhed benytter til at vedligeholde og forbedre vore omgivelser minimeres. Denne åbenbare konflikt mellem de krav vi stiller til vore omgivelser og de ønsker vi har med hensyn til anvendelse af tid og Eksempler på produkter dugfrie spejle til badeværelset antibakterielle fliser til operationsgangen side 1 af 6 sider
ressourcer, har initieret udviklingen af overflader der selv sørger for at opretholde kvaliteten af vort miljø. Bidraget kan være i forhold til æstetik, da overfladerne selv sørger for at fjerne tilsmudsning og begroning. Det kan være i forhold til hygiejne, da overfladerne nedbryder både luftbårne bakterier og bakterier siddende på overfladen, og endeligt kan det være i forhold til luft og vandkvalitet, da overfladerne dekomponerer uønskede forbindelser direkte fra vand og luft. Figur 1: Udvikling af marked og patentaktivitet i Japan, USA og Europa. kilde: YARIME Masaru, Research Center for Advanced Economic Engineering, Univ. of Tokyo, Japan, http://www.ags.chalmers.se/am2004 Japan har været og er stadigt et foregangsland når det gælder kommerciel anvendelse af den fotokatalytiske effekt en udvikling som blev initieret i 1972 af Fujishima og Honda s artikel i Nature om fotokatalytisk spaltning af vand på titandioxid elektroder. Titandioxid, eller TiO 2, har siden hen fået meget opmærksomhed som den fortrukne fotokatalysator til mange applikationer, først og fremmest fordi den kombinerer la v pris med gode katalytiske egenskaber. Endvidere katalyserer TiO 2 nedbrydningen af et bredt spektrum af organiske forbindelser, den arbejder uden tilsætning af kemikalier og den giver ikke uønskede sidereaktioner. I dag findes der en stribe kommercielle produkter, som er udviklet med udgangspunkt TiO 2 fotokatalytiske egenskaber: antibakterielle fliser til operationsstuer, selvrensende beton, selvrensende vinduer, dugfrie sidespejl til bilen, luft rensere m.v. Mængden af anvendelser forventes at øge i de kommende år, samtidigt med at det forventes at teknologien får et lige så stærkt fodfæste i den vestlige verden, som den i dag har i Japan. Omsætningen i Japan er i dag fordelt på de tre hovedsegmenter: konstruktionsmaterialer med speciel fokus på keramiske fliser, belægninger, hvor belægninger på glas p.t. er de mest udbredte, samt konsumprodukter til bolig og bil. Ifølge et studie udført af Photocatalytic Products Forum, Japan repræsenterer konstruktionsmaterialer til indendørs og udendørsbrug p.t. det største markedssegment. Eksempler på produkter dugfrie sidespejle til bilen bilen der renses af sol og regnvand side 2 af 6 sider
Konsortiets arbejdsopgaver, sammensætning og samarbejdsform Konsortiets skal arbejde for at stimulere en kommerciel, dansk udvikling af produkter og processer, hvor det fotokatalytiske princip udnyttes aktivt til at give produktet og/eller processen en ny eller forbedret kvalitet. Drivkraften for udviklingen af nye og/eller forbedrede anvendelser af den fotokatalytiske teknologi forudsættes at ligge hos de deltagende virksomheder, som søges blandt virksomheder som har kommercielle interesser i den fotokatalytiske teknologi. Det søges at sammensætte et konsortium hvor de deltagende virksomheder, på trods af en fælles interesse indenfor fotokatalyse, ikke har interessekonflikter indenfor afsætning eller udvikling. Konsortiet er også åbent for potentielle brugere af produkter og/eller processer hvori fotokatalyse indgår som en central funktion. Efter aftale med Teknologisk Institut kan de deltagende virksomhederne selv invitere brugere, som er relevante for deres applikation, med i konsortiet. Kernen i konsortiet vil være en teknologisk vidensbase som omfatter materialeteknologi, fotokemi, katalyse, organisk og uorganisk kemi, procesteknologi og produktudvikling. Teknologisk Institut og (Universitetspartner) vil etablere og vedligeholde denne vidensbase i henhold til de behov som opstår i det løbende arbejde. Figur 2 og 3 illustrerer konsortiets opbygning og samarbejdsform. Virksomhed 3 Virksomhed 1 Fælles F&U base Virksomhed 4 Virksomhed 2 Bruger Virksomhed 5 Bruger Figur 2: Skematisk fremstilling af Innovationskonsortiets opbygning. UNIVERSITETSPARTNER udvikl. af fotokatalyttiske materialer reaktionsmekanismer og -kinetik TEKNOLOGISK INSTITUT udvikling af applikationer på konceptniveau påføringprocesser prøvning.. VIRKSOMHEDSPARTNER markedsanalyse udvikling af virksomhedsspecifikke applikationer.. Figur 3: Forslag til arbejdsopgaver og informationsflyd i Innovationskonsortiet. side 3 af 6 sider
Hvad er fotokatalyse En fotokatalysator benytter lys til at accelerere nedbrydning af organisk materia le. Dette kan være materialer som er afsat på katalysatorens overflade eller materiale r som er i direkte kontakt med overfladen. Som en iboende sidegevinst skabes der samtidigt en super-hydrofil overflade på katalysatoren. Denne overflade hindrer dråbedannelse dvs. dug, og danner i stedet en ganske tynd væskefilm, hvorved overfladen effektivt vaskes fri for fremmedstoffer. Figur 4: Figuren illustrerer hvordan energien i det indkommende lys løfter en af halvlederpartiklens elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. En forudsætning for processen, er at energiforskellen mellem de to bånd (E g ) er mindre end det indkommende fotons energi, hν. Resultatet er en elektron i ledningsbåndet som virker stærkt reducerende i forhold til et molekyle A: A + e -? A -?, og et hul i valensbåndet der virker stærkt oxiderende i forhold til et molekyle D: D + p +? D +?. En fotokatalysator er i udgangspunktet en halvleder, hvor størrelsen af halvlederens båndgab er bestemmende for hvilken del af lysets spektrum som aktiverer den katalytiske nedbrydning. TiO 2 som er en meget benyttet fotokatalysator, findes bl.a. som anatas med et båndgab på 3,2 ev, som er den mest fotoaktive. Når anatas udsættes for lys, vil de fotoner i lysets spektrum, som har en energi større end 3.2 ev, absorberes af materialet. Energien i de absorberede fotoner benyttes til at flytte elektroner fra valensbåndet og op i ledningsbåndet. For hver foton fotokatalysatoren absorberer, genereres således en fri elektron i ledningsbåndet og et modsvarende positive hul i valensbåndet. Når organisk materiale kommer i kontakt med fotokatalysatoren, vil det positive hul have en stærk oxiderende effekt, mens elektronen har en tilsvarende reducerende effekt. Dette initierer redoxreaktioner, som effektivt nedbryder det organiske materiale, i sidste instans helt ned til grundkomponenterne vand og CO 2, se figur 4. Eksempel på produkt selvrensende indfatning til tunnelbelysning side 4 af 6 sider
Som en integreret del af redoxreaktionerne dannes der hydroxyl-radikaler på overfladen. Disse radikaler vil reagere med de vandmolekyler, som uundgåeligt findes på en enhver eksponeret overflade og bryde vandets overfladespænding. I kontakt med hydroxyl radikalerne reduceres vandets overfladespænding tilstrækkeligt til at forhindre al dråbedannelse, og overfladen bliver dermed dugfri. Når dråberne undgås, løber endvidere vandet af overfladen som en film der effektivt trækker fremmedpartikler med sig og dermed vaskes overfladen ren for partikler som tidligere har siddet fastlimet i det nu nedbrudt organiske materiale. Mulige udviklingsopgaver Den internationale F&U omkring udnyttelse af fotokatalytiske teknologi, fokuserer både på at finde nye anvendelser hvor fotokatalysen gør en forskel for det aktuelle produkt eller for miljøet, og på at gøre selve den fotokatalytiske proces mere effektiv, for dermed at åbne for nye mulige anvendelser. Tabel 1 illustrerer hvordan udviklingen af forskellige anvendelser/applikationer kan nyttiggøre en fælles vidensbase. Applikation 1 Applikation 2 Applikation 3 Teknologi 1? Teknologi 2?? Teknologi 3? Teknologi 4?? Tabel 1: Eksempel som viser hvordan en fælles teknologibase kan deles mellem flere virksomheder/applikationer I forhold til at finde nye anvendelser og udvikling af nye produkter, er det i princippet kun fantasien der sætter grænserne. Konsortiet giver virksomhederne mulighed for at drive den anvendelsesorienterede udvikling i tæt dialog både med brugeren og med de kundskabsmiljøer, som kender teknologiens muligheder og begrænsninger i dag, og som endvidere har det nødvendige udsyn til at forudsige hvilke muligheder der vil foreligge på sigt. Når det gælder om at gøre den fotokatalytiske proces mere effektiv, er der flere vigtige opgaver som kan adresseres, og hvor prioriteringen mellem dem er afhængig af de aktuelle applikationer. For de fleste applikationer vil det være aktuelt at tilpasse fotokatalysatorerne til den lyskvalitet som er tilgængeligt for at aktivere den aktuelle proces. Afhængigt af applikationen kan dette være sollys, UV belysning eller normal indendørs belysning. Ved at designe katalysatorens båndgab, kan man optimere fotokatalysatorer til en given lyskilde og dermed opnå en markant gevinst i form af en mere effektiv proces. Tilpasningen sker typisk ved at dotere den velkendte TiO 2 katalysator eller ved at designe nye fotokatalysatorer ved at blande kendte oxider. Det skal her bemærkes at en fotokatalysator som aktiveres udelukkende af UV lys er transparent og farveløs, mens en katalysator som aktiveres af dele af lysets synlige spekter, uundgåelig vil have en egenfarve. Eksempel på produkt selvrensende PVC teltdug side 5 af 6 sider
Udover at tilpasse fotokatalysatoren til lysets kvalitet, er det også aktuelt at tilpasse katalysatoren til den tilgængelige lysmængde. Da alle katalytiske processer sker på katalysatorens overflade, er det vigtigt at maksimere den tilgængelige katalysatoroverflade, ganske enkelt fordi reaktionshastigheden er direkte proportional med arealet af den eksponerede overflade. For at opnå store overflader benyttes oftest systemer som er partikulære eller porøse på nanoskala. - og sidst med ikke mindst er det vigtig at søge det optimale samspil mellem fotokatalysatoren og det produkt som skal nedbrydes. Alfa og omega i dette spil er forståelsen af de grundlæggende nedbrydningsmekanismer og samt en forståelse af hvor hurtig de aktuelle kontamineringer bygges op og brydes ned i det aktuelle miljø. Udover at arbejde med fotokatalysatorens egenskaber, er det også vigtigt at udvikle metoder for at påføre eller inkorporere fotokatalysatorerne i de aktuelle overflader/materialer, hvor valg af metode hænger nøje sammen med den aktuelle applikation. Det skal her bemærkes at der normalt kan benyttes industrielt velkendte metoder for påføring. En anden opgave er knyttet til udviklingen af reaktorsystemer for fotokatalytisk vand- og luftrensning. Her kan det være aktuelt at udvikle partikel - eller skumbaserede fotokatalysatorer som kan recirkuleres i reaktoren og som endvidere tillader stor indtrængning og effektiv spredning af lyset. Derudover er det behov for at arbejde med mere traditionelle procestekniske discipliner som reaktordesign, fødesystemer, koncentrationssystemer, optimering af flow, belysningssystemer, m.v. Et sidste område, som bør adresseres i et relativt nyt område som dette, er prøvning. I første omgang er behovet at etablere metoder for at karakterisere materialer/produkters fotokatalytiske funktion, og senere hen at etablere standardiserede prøvninger når sådanne efterhånden defineres. Eksempler produkter køb på nettet: fotokatalytisk spray og væske fra Guangzhou Aoinn Photocatalyst Co., Kina kilde: http://chinasuooliers.alibaba.com side 6 af 6 sider