Fotokatalytisch effect: hoe licht vervuiling opruimt
Stel je een raam voor dat zichzelf schoonmaakt. Niet met een robotje dat over het glas rijdt, maar met behulp van niets anders dan zonlicht en regen. Vet, roet en aangekoekt vuil vallen als het ware vanzelf uiteen zodra de zon erop schijnt, waarna een regenbui de restjes wegspoelt. Dit is geen sciencefiction: het berust op het fotokatalytisch effect, een natuurkundig-scheikundig verschijnsel dat al sinds de jaren zeventig bekend is en inmiddels in ramen, wegdek, tegels en verf wordt toegepast.
De kern van het effect is dat bepaalde materialen, meestal een wit poeder genaamd titaniumdioxide (TiO2, hetzelfde spul dat wit pigment geeft aan verf en tandpasta), onder invloed van licht als een soort aanjager gaan werken voor chemische reacties. Vergelijk het met een vonkje dat een lawine aan afbraakreacties op gang brengt, zonder dat het vonkje zelf verbruikt raakt. Zo kan een laagje TiO2 op een oppervlak keer op keer vet, bacteriën, schimmel en zelfs bepaalde luchtvervuilende stoffen afbreken tot onschuldige stofjes als water en kooldioxide, zolang er maar licht op valt.
Wat is het precies?
Om te begrijpen hoe dit werkt, moet je eerst weten wat een katalysator is: een stof die een chemische reactie versnelt zonder daarbij zelf te veranderen of op te raken. Een fotokatalysator doet hetzelfde, maar heeft daarvoor energie uit licht nodig in plaats van bijvoorbeeld warmte.
TiO2 is een zogeheten halfgeleider. In zo'n materiaal zitten elektronen normaal gesproken "vast" op een bepaald energieniveau. Komt er een lichtdeeltje (foton) met genoeg energie op af, dan wordt een elektron losgeslagen en springt het naar een hoger energieniveau. Er blijft een "gat" achter op de plek waar het elektron zat. Dit elektron-gatpaar is de motor van het hele proces.
Bij titaniumdioxide is daarvoor specifiek ultraviolet (UV) licht nodig, het onzichtbare deel van zonlicht met een kortere golflengte dan blauw licht. Dat komt doordat de energiekloof in TiO2 (de zogeheten bandgap) net te groot is voor zichtbaar licht om die elektronen los te maken.
Zodra het elektron-gatpaar aan het oppervlak van het materiaal is beland, reageert het met watermoleculen en zuurstof uit de lucht. Daaruit ontstaan zeer reactieve, kortlevende deeltjes: hydroxylradicalen en superoxide-ionen. Radicalen zijn moleculen met een "los eindje" waardoor ze extreem graag reageren met alles wat ze tegenkomen. Deze radicalen vallen organisch materiaal aan, zoals vetaanslag, uitlaatgassen, bacteriën of schimmelsporen, en breken die moleculen letterlijk stuk tot simpele, onschadelijke stoffen als CO2 en water. Het TiO2 zelf blijft ongewijzigd achter en kan bij het volgende zonnestraaltje weer opnieuw beginnen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van fotokatalyse is dat je vervuiling en vuil kunt laten opruimen door iets dat toch al gratis en overal aanwezig is: zonlicht. Dat maakt het aantrekkelijk voor een aantal doelen tegelijk.
Ten eerste zelfreinigende oppervlakken: ramen, geveltegels, verkeersborden en zonnepanelen die minder vaak schoongemaakt hoeven te worden, wat onderhoudskosten bespaart en ook nuttig is op plekken die lastig te bereiken zijn, zoals hoge gebouwen.
Ten tweede luchtzuivering. Straten en gebouwen zijn enorme oppervlakken die, bedekt met een fotokatalytische laag, in theorie een deel van de stikstofoxiden (NOx) en vluchtige organische stoffen uit uitlaatgassen kunnen afbreken. Dat zou een passieve manier zijn om luchtkwaliteit in steden te verbeteren zonder extra energieverbruik.
Ten derde waterzuivering: fotokatalysatoren kunnen organische verontreinigingen en resten van medicijnen in afvalwater afbreken, als aanvulling op bestaande zuiveringstechnieken.
Ten vierde antibacteriële en zelfdesinfecterende oppervlakken, bijvoorbeeld in ziekenhuizen of openbaar vervoer, waar de radicalen bacteriën en virussen beschadigen.
Tot slot is er een meer ambitieuze, verdergaande toepassing: het namaken van fotosynthese. Onderzoekers proberen met fotokatalytische materialen water te splitsen in waterstof en zuurstof met behulp van alleen zonlicht, om zo "zonnebrandstof" te maken, een schone energiedrager zonder fossiele grondstoffen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het fenomeen werd voor het eerst wetenschappelijk beschreven door de Japanse onderzoekers Akira Fujishima en Kenichi Honda, die in 1972 in het tijdschrift Nature beschreven hoe een TiO2-elektrode onder UV-licht water kan splitsen. Dit staat inmiddels bekend als het Honda-Fujishima-effect en geldt als het startpunt van het onderzoeksveld.
Een van de bekendste commerciële toepassingen is Pilkington Activ, zelfreinigend glas dat begin jaren 2000 op de markt kwam met een dunne TiO2-coating die vuil losweekt zodat regen het makkelijker wegspoelt.
In de bouw is TX Active van het Italiaanse cementbedrijf Italcementi bekend geworden: cement met TiO2-toevoeging dat oppervlakken wit houdt en luchtvervuiling helpt afbreken. Het materiaal werd toegepast bij de bouw van de Jubileumkerk (Dives in Misericordia) in Rome, ontworpen door architect Richard Meier en opgeleverd in 2003, waarvan de opvallend witte, gebogen betonnen schaalconstructies mede dankzij die coating hun kleur beter behouden.
In Japan past sanitairfabrikant TOTO onder de naam Hydrotect al decennialang fotokatalytische coatings toe op tegels en sanitair, zodat aanslag en bacteriegroei worden tegengegaan.
Dichter bij huis onderzocht de TU Eindhoven rond 2010-2013 luchtzuiverend wegdek: betontegels met een TiO2-coating, getest op een proefstuk snelweg, moesten stikstofoxiden uit uitlaatgassen afbreken. In laboratoriumomstandigheden werden aanzienlijke reductiepercentages gemeten, maar op de echte weg viel het effect flink lager uit, onder meer door wind, vocht en de manier waarop uitlaatgas zich verspreidt.
Op grotere schaal experimenteert China met fotokatalytische coatings op gevels en wegdek in stedelijke gebieden om smog te bestrijden, al zijn onafhankelijke, grootschalige metingen van de werkelijke luchtkwaliteitswinst daarvan nog beperkt.
Hoe ver is de techniek?
Fotokatalyse kent grote verschillen in volwassenheid, afhankelijk van de toepassing. Zelfreinigend glas en antibacteriële coatings zijn een uitontwikkelde, commercieel verkrijgbare technologie die al tientallen jaren meegaat en waarvan de werking goed is aangetoond.
Luchtzuiverend beton en wegdek bevinden zich meer in een pilot- en nichefase. Het basisprincipe werkt aantoonbaar, maar de praktische winst in de buitenlucht is doorgaans veel kleiner dan in het laboratorium, en critici wijzen erop dat marketingclaims soms optimistischer zijn dan onafhankelijk gemeten resultaten. Bovendien slijt de reactieve laag doordat stof en vuil zich erop ophopen, wat regelmatig reinigen weer nodig maakt, een beetje paradoxaal voor een "zelfreinigend" materiaal.
Het grootste technische obstakel blijft dat gewoon TiO2 alleen op UV-licht reageert, terwijl UV maar een klein deel (ruwweg enkele procenten) van het zonlicht uitmaakt. Veel onderzoek richt zich daarom op het "gevoelig maken" van fotokatalysatoren voor zichtbaar licht, bijvoorbeeld door TiO2 te doteren met stikstof of andere elementen, of door heel andere materialen zoals bismutvanadaat (BiVO4) of grafitisch koolstofnitride (g-C3N4) te gebruiken. Die materialen zijn veelbelovend in laboratoriumstudies, maar meestal nog niet stabiel of goedkoop genoeg voor grootschalige toepassing.
De ambitieuzere toepassing, zonlicht omzetten in waterstofbrandstof via kunstmatige fotosynthese, staat nog vooral in de onderzoeksfase. Prototypes zoals het "kunstmatige blad" dat scheikundige Daniel Nocera rond 2011 aan Harvard presenteerde, tonen aan dat het principe werkt, maar de omzettingsefficiëntie en levensduur van de materialen zijn nog onvoldoende voor commerciële productie van waterstof op grote schaal.
Wie werken eraan?
Japan geldt van oudsher als bakermat en koploper van fotokatalyseonderzoek, met de Universiteit van Tokio (waar Fujishima werkzaam was) als belangrijk kenniscentrum en bedrijven als TOTO die de technologie al vroeg commercieel toepasten.
In Europa zijn glasfabrikanten als Pilkington (onderdeel van het Japanse NSG Group) en Saint-Gobain actief op het gebied van zelfreinigende coatings, terwijl de Italiaanse cementindustrie (via Italcementi, nu onderdeel van HeidelbergCement) voorop liep met fotokatalytisch bouwmateriaal.
In Nederland doet de TU Eindhoven al langer onderzoek naar luchtzuiverende bouwmaterialen, en ook andere technische universiteiten in binnen- en buitenland werken aan verbeterde, op zichtbaar licht werkende fotokatalysatoren en aan kunstmatige fotosynthese voor waterstofproductie.
China investeert, gedreven door de eigen luchtkwaliteitsproblematiek, fors in praktijktoepassingen van fotokatalytische bouwmaterialen in steden, terwijl fundamenteel materiaalonderzoek breed verspreid is over academische groepen in de Verenigde Staten, Europa en Oost-Azië.