Anatase: het kristal in titaniumdioxide dat glas, beton en zonnecellen zelfreinigend maakt
Anatase is een van de natuurlijke kristalvormen van titaniumdioxide (TiO2), een wit poeder dat we vooral kennen als pigment in verf, tandpasta en zonnebrandcrème. Wat anatase bijzonder maakt, is niet de chemische samenstelling — die is identiek aan die van de andere TiO2-vormen — maar de manier waarop de atomen erin gerangschikt zijn. Vergelijk het met koolstof: dezelfde atomen kunnen als zachte grafiet in een potlood zitten of, in een andere rangschikking, als keiharde diamant. Bij titaniumdioxide bepaalt de kristalstructuur op vergelijkbare wijze of een stof vooral als saai wit pigment dient, of als een klein chemisch fabriekje dat vervuiling afbreekt zodra er licht op valt.
Die laatste eigenschap, fotokatalyse genoemd (het versnellen van chemische reacties met behulp van licht), is de reden dat anatase de afgelopen decennia opdook in zelfreinigend glas, luchtzuiverend straatwerk en experimentele zonnecellen. Het is geen wondermateriaal en de effecten zijn in de praktijk vaak bescheidener dan in het laboratorium, maar de onderliggende chemie is reëel en goed begrepen. In dit artikel leggen we uit wat anatase precies is, wat onderzoekers en bedrijven ermee willen bereiken, en hoe ver die plannen inmiddels zijn gevorderd.
Wat is het precies?
Titaniumdioxide komt in de natuur in drie kristalvormen voor: rutiel, brookiet en anatase. Een kristalvorm (of polymorf) beschrijft hoe de atomen — hier titanium- en zuurstofatomen — zich herhalen in een regelmatig driedimensionaal rooster. Rutiel en anatase hebben allebei een zogeheten tetragonale structuur (een rooster met een rechthoekig grondvlak dat in de hoogte iets is uitgerekt of ingedrukt), maar de bouwstenen liggen er net anders in gestapeld, wat de eigenschappen flink verandert. Rutiel is de meest stabiele vorm en wordt daarom het meest gebruikt als simpel wit pigment. Anatase is minder stabiel: bij verhitting tot enkele honderden graden Celsius zet het zich vanzelf om in rutiel.
Het interessante aan anatase zit in de bandgap, oftewel de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron in het materiaal los te maken van zijn atoom. Bij anatase is die bandgap ongeveer 3,2 elektronvolt, wat overeenkomt met de energie van ultraviolet (uv) licht. Valt er uv-licht op een anataseoppervlak, dan slaat een lichtdeeltje (foton) een elektron los. Dat laat een 'gat' achter — een plek met een tekort aan elektronen die zich gedraagt als een positieve lading. Dit elektron-gatpaar is de motor van de fotokatalyse: het gat reageert met watermoleculen of hydroxide-ionen aan het oppervlak tot agressieve hydroxylradicalen, terwijl het losgeslagen elektron met zuurstof reageert tot superoxideradicalen. Beide zijn zeer reactieve, kortlevende deeltjes die organisch materiaal — vet, roet, bacteriën, stikstofoxiden uit uitlaatgassen — letterlijk in kleine stukjes knippen tot onschadelijke restproducten zoals water en kooldioxide.
Opvallend genoeg is anatase in de praktijk vaak een betere fotokatalysator dan rutiel, ook al heeft rutiel een iets kleinere bandgap en zou het dus makkelijker licht moeten absorberen. De verklaring ligt in details als de levensduur van het elektron-gatpaar: bij anatase 'vinden elektron en gat elkaar minder snel terug' (recombinatie genoemd), waardoor er meer tijd is om nuttige reacties aan het oppervlak te laten plaatsvinden.
Wat wil men ermee bereiken?
De centrale belofte van anatase is dat je met alleen (zonlicht of kunstmatig) uv-licht vervuiling kunt afbreken, zonder extra chemicaliën of energie toe te voegen. Dat maakt het aantrekkelijk voor een aantal toepassingsgebieden.
Bij zelfreinigende oppervlakken, zoals coatings op glas of gevelstenen, breekt de fotokatalyse organisch vuil af. Een tweede, los daarvan werkend effect versterkt dit: anatase-oppervlakken worden onder uv-licht tijdelijk extreem hydrofiel (waterminnend), waardoor regenwater niet in druppels blijft staan maar zich uitspreidt in een dunne film die losgeweekt vuil meespoelt.
Bij luchtzuivering is het doel stikstofoxiden (NOx) en vluchtige organische stoffen uit uitlaatgassen af te breken op straatoppervlakken, geluidsschermen of gevels. Voor waterzuivering onderzoekt men afbraak van resten medicijnen en andere moeilijk afbreekbare organische stoffen. Ook antibacteriële coatings voor ziekenhuizen en sanitair maken gebruik van hetzelfde principe: bacteriën en virussen worden aangetast door de reactieve radicalen.
Daarnaast speelt anatase een rol in zonnecellen, met name in zogeheten dye-sensitized solar cells (kleurstofzonnecellen), waar het niet als katalysator maar als elektronentransporteur dient. Tot slot wordt onderzocht of anataseoppervlakken, eventueel met een katalysator erbij, water kunnen splitsen in waterstof en zuurstof onder invloed van licht — een mogelijke route naar duurzame waterstofproductie. De gemeenschappelijke drijfveer achter al deze toepassingen is dat je bestaande oppervlakken (ramen, wegen, gevels) een extra, energiezuinige functie kunt geven zonder dat er actief iets bediend hoeft te worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Pilkington Activ (geïntroduceerd in 2001 door de Britse glasfabrikant Pilkington, tegenwoordig onderdeel van NSG Group) was een van de eerste commerciële zelfreinigende glassoorten met een dunne anatase-coating. Concurrent Saint-Gobain bracht met SGG Bioclean een vergelijkbaar product op de markt.
In de bouw werd TX Active, een cement met daarin verwerkte TiO2-deeltjes van het Italiaanse Italcementi (nu onderdeel van HeidelbergCement), gebruikt voor onder meer de witte betonnen buitenkant van de Chiesa Dives in Misericordia in Rome, een kerk ontworpen door architect Richard Meier en opgeleverd in 2003. Het doel was dat het gebouw door zon en regen zelf wit zou blijven.
In Nederland testte de Technische Universiteit Eindhoven rond 2010, samen met de gemeente Hengelo, met TiO2 gecoate klinkers in een fietspad om te kijken of dat lokaal stikstofoxiden uit de lucht kon afbreken.
Op Europese schaal onderzocht het project PhotoPAQ (met EU-financiering, actief van ongeveer 2011 tot 2014) in meerdere steden hoe effectief fotokatalytische bouwmaterialen daadwerkelijk zijn onder realistische weers- en verkeersomstandigheden, in plaats van alleen in het laboratorium.
Op het gebied van zonne-energie geldt de publicatie uit 1991 van Michael Grätzel en Brian O'Regan (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) in het tijdschrift Nature als startpunt van de dye-sensitized solar cell, waarbij een laag nanokristallijn anatase bedekt met een lichtgevoelige kleurstof als basis dient voor het opwekken van stroom.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkelstatus verschilt sterk per toepassing. Zelfreinigend glas is inmiddels een volwassen, commercieel product dat al ruim twintig jaar wordt verkocht; het effect is reëel maar bescheiden — het vermindert de reinigingsfrequentie, het vervangt professionele glasbewassing niet volledig.
Fotokatalytisch beton en straatwerk worden op verschillende plaatsen toegepast, maar de praktijkresultaten zijn wisselend. Laboratoriumtests laten duidelijke afbraak van NOx zien, maar praktijkmetingen — zoals in het PhotoPAQ-project — toonden vaak een kleiner effect dan verwacht. Regen, vuil dat de actieve laag afdekt, beperkte hoeveelheden uv-licht in bewolkt Noordwest-Europa en de beperkte contacttijd tussen luchtstroom en oppervlak spelen daarbij allemaal een rol.
Dye-sensitized zonnecellen op basis van anatase zijn na ruim dertig jaar onderzoek nog altijd vooral een nichetoepassing. Het rendement (doorgaans 10 tot 13 procent) blijft achter bij gangbare siliciumzonnecellen (ruim 20 procent), en de vloeibare elektrolyt die vaak wordt gebruikt, geeft stabiliteits- en levensduurproblemen. Wel wordt er onderzoek gedaan naar toepassingen waarbij deze nadelen minder zwaar wegen, zoals halftransparante of gekleurde zonnepanelen die in gevels of ramen geïntegreerd worden.
Een terugkerend obstakel bij vrijwel alle toepassingen is dat anatase vooral op uv-licht reageert, terwijl uv slechts een klein deel van het zonlicht uitmaakt. Onderzoekers proberen daarom via doping (het inbouwen van vreemde atomen zoals stikstof, koolstof of metalen in het kristalrooster) de bandgap te verkleinen zodat ook zichtbaar licht bruikbaar wordt. Dat lukt in het laboratorium, maar het op grote schaal en goedkoop produceren van stabiele, gedoteerde anatasecoatings blijft lastig.
Wie werken eraan?
Fundamenteel onderzoek naar fotokatalyse met titaniumdioxide gaat terug tot het werk van de Japanse chemicus Akira Fujishima, die in de jaren zeventig met een elektrode van TiO2 liet zien dat licht water kan splitsen (het zogeheten Honda-Fujishima-effect). Japanse universiteiten en bedrijven zijn sindsdien historisch sterk vertegenwoordigd in dit vakgebied.
Op het gebied van zonnecellen is EPFL in Zwitserland, met Michael Grätzel als boegbeeld, nog altijd een van de meest toonaangevende onderzoeksinstituten. Daarnaast doen universiteiten wereldwijd, waaronder de TU Eindhoven in Nederland, onderzoek naar fotokatalytische bouwmaterialen en luchtzuivering.
Aan de industriële kant leveren grote producenten van titaniumdioxide zoals Tronox, Venator en Chemours het basismateriaal voor pigmenten en coatings. Glasfabrikanten NSG Group (Pilkington) en Saint-Gobain brachten zelfreinigend glas op de markt, terwijl HeidelbergCement (via het overgenomen Italcementi) fotokatalytisch cement produceert. Onderzoek naar dit soort materialen wordt in Europa regelmatig mede gefinancierd via EU-onderzoeksprogramma's zoals het kaderprogramma dat ook PhotoPAQ mogelijk maakte.