Projekt 3) Fotokatalytische Nanofasern, hergestellt durch Elektrospinnen mittels Sol-Gel-Chemie
Ein-dimensionale (1D) Nanostrukturen zeichnen sich durch herausragende Ladungstransport-Eigenschaften und wenige Korngrenzen aus. Insbesondere Metalloxid-Nanofasern, die durch Elektrospinnen hergestellt werden, weisen bemerkenswerte Charakteristiken auf, wie eine hohe Porosität und das höchste Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis in der Klasse der 1D-Nanostrukturen [1,2]. Deshalb sind Metalloxid-Nanofasern (oder allgemeiner: Keramik-Nanofasern) sehr interessant für die hocheffiziente fotokatalytische Wasserspaltung. Sol-Gel-Chemie stellt eine kostengünstige lösungsverarbeitende Methode für die Herstellung von fotokatalytischen Materialien dar und kann mit dem Elektrospinn-Prozess für die Synthese von Keramik-Nanofasern kombiniert werden [2,3,4,5]. Abbildung 1 zeigt eine REM-Aufnahme von mit 3% Yttrium teilstabilisierten Zirkoniumoxid (3YSZ)-Nanofasern [6].
Für das Elektrospinnen von Nanofasern wird ein relativ simpler Versuchsaufbau benötigt, der es ermöglicht den Durchmesser der Nanofasern zu kontrollieren und die Möglichkeit bietet gleichmäßige Nanofasern zu spinnen, die mehrere Meter lang sind, aber nur wenige Nanometer im Durchmesser aufweisen [6]. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung des Elektrospinn-Prozesses. Zwischen einem metallischen Kollektor und der Nadel einer Spritze, in der sich die Präkursor-Lösung befindet, wird eine hohe Spannung (5 bis 30 kV) angelegt. Die Lösung wird mit einer konstanten Flussrate durch die Spritze gepumpt, wo sich an der Spitze ein Lösungsmittelstrahl bildet, der sich zum Kollektor bewegt, auf dem die Nanofasern gesammelt werden [7].
In diesem Projekt werden Nanofasern verschiedener, für die fotokatalytische Wasserspaltung interessanter Materialien, mittels Elektrospinnen hergestellt. Durch die Verwendung des Elektrospinn-Prozesses sind wir in der Lage viele Parameter, wie Lösungseigenschaften, Prozess-Parameter und das Geräte-Design so zu optimieren, dass wir den Durchmesser, die Morphologie aber auch die Orientierung der Nanofasern für die höchste Licht-zu-Wasserstoff-Effizienz bestmöglich gestalten können. Die fotokatalytischen Eigenschaften der erhaltenen Nanofasern werden durch fotoelektrochemische (PEC) und gaschromatographische (GC) Messungen untersucht.
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[6] G. Cadafalch Gazquez, Electrospinning as a Tool for Fabricating Functional Ceramics, PhD thesis, 2016, University of Twente, Netherlands.
[7] Ning Zhu and Xiongbiao Chen (2013). Biofabrication of Tissue Scaffolds, Advances in Biomaterials Science and Biomedical Applications, Prof. Rosario Pignatello (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/54125. Available from: www.intechopen.com/books/advances-in-biomaterials-science-and-biomedical-applications/biofabrication-of-tissue-scaffolds