Titan in Innenfarben – Photokatalyseprozess und Viren

Aber was genau ist Photokatalyse? Was sind Photokatalysatoren? 

Diese Fragen wurden von Prof. Dr. Antoni Morawski, PhD, DSc, Eng., vom Lehrstuhl für Anorganische Chemische Technologie und Umwelttechnik der Westpommerschen Technischen Universität Stettin beantwortet.

Per Definition ist Photokatalyse die Veränderung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion oder deren Auslösung unter dem Einfluss von ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung in Gegenwart eines Stoffes (Photokatalysators), der die Strahlung absorbiert und eine Redoxreaktion an einer Oberfläche ermöglicht, beispielsweise zwischen Sauerstoff in der Luft und adsorbierten Verunreinigungen, bei denen es sich auch um pathogene Mikroorganismen handeln kann. Die auf der Oberfläche des Photokatalysators erzeugten Hydroxylradikale besitzen ein höheres Oxidationspotenzial als Ozon, was für die Desinfektion von Bedeutung ist.

Handelt es sich um eine neue Entdeckung? Vielleicht wurde sie noch nicht ausreichend getestet?

Die Fähigkeit von Titandioxid (TiO₂ ) , als Photokatalysator zu wirken, ist seit Jahrzehnten bekannt (genauer gesagt seit 1921). Diese Eigenschaft fand jedoch lange Zeit keine breite Beachtung. Das Interesse an der Nutzung der photokatalytischen Eigenschaften von TiO₂ flammte mit der Veröffentlichung einer Arbeit von Fujishima und Honda zur Photoelektrolyse von Wasser im Jahr 1972 wieder auf. Diese Aktivität wurde bald für die Oxidation von Schadstoffen, die Abwasserbehandlung, die Trinkwasseraufbereitung und die Wasseraufbereitung für die industrielle Gemüsewäsche genutzt. Mit Titandioxid beschichtete Filter wurden zur Luftdesinfektion eingesetzt. Zahlreiche nachfolgende Studien belegten die Nützlichkeit der Photokatalyse für die Wasserdesinfektion, einschließlich der Abtötung von Bakterien. Auch das Potenzial zur Zerstörung von Krebszellen wurde entdeckt. Die Verwendung von TiO₂ in Lackbeschichtungen blieb jedoch eine Neuheit.

Und wie sieht es mit Viren aus? Das ist ja gerade ein brandaktuelles Thema.

– In letzter Zeit gab es zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Thema. Beispielsweise demonstrierten die Japaner in ihrer Arbeit „Photocatalytic inactivation of influenza virus by titanium dioxide thin film“ die Deaktivierung des Influenzavirus durch Photokatalyse mit TiO2-Nanopartikeln ₍ R. Nakano, H. Ishiguro, Y. Yao, J. Kajioka, A. Fujishima, K. Sunada, M. Minoshima, K. Hashimoto, Y. Kubota – „Photochemical and Photocatalytical Science“, 2012).

In der Arbeit „Extermination of influenza virus H1N1 by a new visible-light-induced photocatalyst under fluorescent light“ (Sei-Young Choi Bongrae Cho – „Virus Research“, 2018) wurde die antivirale Aktivität eines auf TiO₂ basierenden Photokatalysators _mit Zusatz von Übergangsmetallen (Eisen, Magnesium und Mangan) gegen das Influenzavirus H1N1 bestätigt. In Tests wurde das Virus innerhalb von 30 Minuten zu über 99 % eliminiert. Es wurde festgestellt, dass „ die Verwendung dieses Photokatalysators zur Desinfektion wünschenswert wäre, um die Virusübertragung über Tröpfchen und Aerosole sowie über Oberflächenkontakt zu reduzieren .“ (EAKozlov et al.) In der Publikation Inactivation and Mineralization of Aerosol Deposited Model Pathogenic Microorganisms over TiO ₂ and Pt/TiO ₂ (Environmental Science and Technology, 2010, 44, 512-51-26) wurde nachgewiesen, dass auf reinem TiO ₂ nach 30 Minuten UVA-Bestrahlung eine 90%ige Inaktivierung des Influenza-A(H3N2)-Virus erreicht wird und auf mit Platin modifiziertem TiO ₂ eine 99,8%ige Inaktivierung dieses Virus.

Umfangreiche Studien wurden auch in einer anderen Arbeit von R. Nakano, M. Hara, H. Ishiguro, Y. Yao, T. Ochiai, K. Nakata, T. Murakami, J. Kajioka, K. Sunada, K. Hashimoto, A. Fujishima und Y. Kubota ( Broad Spectrum Microbicidal Activity of Photocatalysis by TiO₂ _– Catalysts , 2013) durchgeführt. Sie untersuchten grampositive Bakterien wie Methicillin-resistenten Staphylococcus aureus Vancomycin-resistenten Enterococcus faecalis Penicillin-resistenten Streptococcus pneumoniae Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa nur allmählich inaktiviert wurden. Influenzaviren (behülltes Virus) und Katzencaliciviren (unbehülltes Virus) wurden während der Tests ebenfalls inaktiviert.

Die oben genannten Studien (und viele weitere) bestätigen eindeutig, dass Photokatalysatoren eine wirksame Methode gegen viele schädliche Krankheitserreger darstellen, und es werden weltweit intensive Arbeiten in diese Richtung durchgeführt.

Sie erwähnten, dass gestrichene Wände zum Schutz der Gesundheit beitragen können. Ist das nicht ein Irrtum?

„Mit Mikroorganismen kontaminierte Oberflächen stellen eine Gefahr für die Menschen in ihrer Umgebung dar. Hausstaubmilben, Bakterien, Viren und Schimmelpilze sammeln sich an Wänden und in Möbeln an. Dies kann zu Asthma, Allergien und Infektionen führen. Dies gilt sowohl für Wohn- als auch für Gesundheitsräume. Zahlreiche Informationen in der Fachliteratur belegen die Wirksamkeit von photokatalytischem TiO₂ _{bei der} Inaktivierung verschiedener Mikroorganismen, darunter Bakterien, Viren, Pilze und Hefen.

Infektionskrankheiten, die durch antibiotikaresistente Bakterien verursacht werden, stellen aufgrund des weltweiten Antibiotikaeinsatzes ein zunehmendes Problem dar. Die Persistenz dieser Mikroorganismen auf Oberflächen und medizinischen Geräten führt zu Krankenhausinfektionen. Krankenhausinfektionen tragen vermutlich zu vielen Todesfällen bei.

Weltweit werden zahlreiche fortschrittliche Technologien entwickelt, um die mikrobielle Belastung in Krankenhäusern zu reduzieren. Neue Strategien zur Prävention von Infektionen werden stetig weiterentwickelt. Dazu gehören Hygienemaßnahmen mit neuen flüssigen Bioziden oder berührungslosen Technologien sowie die Beschichtung von Desinfektionsflächen mit Metallen (Kupfer, Silber) oder lichtaktivierten Katalysatoren wie TiO₂-Nanopartikeln₂.

Die Herausforderungen durch Krankenhausinfektionen und die zunehmende Verbreitung antimikrobiell resistenter Bakterien veranlassen Wissenschaftler dazu, das Gebiet der Nanotechnologie und der Photokatalyse als neue Quelle zur Verbesserung der Krankenhaushygiene zu erforschen.

Materialien, die in ihrer Grundform inert sind, reagieren in Nanopartikelform, wobei Titandioxid unter UV- und sichtbarer Strahlung eine höhere Aktivität zeigt. Es wird erwartet, dass Photokatalysatoren in großem Umfang gegen viele schädliche Krankheitserreger eingesetzt werden.

Die Nutzung des hervorragenden photokatalytischen Effekts von TiO ₂ mit der Erzeugung eines starken Oxidationsmittels in Form eines Hydroxylradikals an der Oberfläche ist eine technologisch machbare Technologie, und ihre Herstellung im industriellen Maßstab ist relativ einfach und kostengünstig.

Die einfachste und zugleich sehr effektive Methode ist, die Wände und Decken mit einer Farbe zu streichen, die einen Photokatalysator enthält.

 Aber sind solche Maßnahmen nicht schädlich? Für Mensch und Umwelt?

Herkömmliche Desinfektionsmethoden, wie die Desinfektion mit Chlorverbindungen, führen zur Bildung krebserregender Desinfektionsnebenprodukte (Cl₂) _. Änderungen der Wasserqualitätsvorschriften haben alternative Desinfektionsverfahren in den Fokus gerückt. Die Verwendung von Ozon ist problematisch, da ein teurer Ozongenerator benötigt wird und Ozon eine sehr kurze Halbwertszeit hat, wodurch kein dauerhafter Umweltschutz gewährleistet wird.

Titandioxid ( _TiO₂) in Baumaterialien (Wände, Decken, Böden usw.) ist von Natur aus umweltschonender. Photoaktive Materialien adsorbieren Schadstoffe und Mikroorganismen an ihren Oberflächen und werden anschließend unter Einwirkung von UV- und sichtbarer Strahlung, sogar von herkömmlichen Glühbirnen, inaktiviert oder in Kohlendioxid und Wasser zersetzt. Im Gegensatz zu typischen chemischen Präparaten setzen photoaktive Materialien keine toxischen Nebenprodukte in die Umwelt frei und gewährleisten eine effektive und kontinuierliche Desinfektion.

Wie können wir diese Entdeckungen in unserem Alltag nutzen? Wenn solche mit photokatalytischen Farben beschichteten Oberflächen, Wände und Decken im Gesundheitswesen wirksam sind, wären sie dann auch für den Einsatz in Wohnräumen geeignet? Könnten sie dazu beitragen, Infektionen in Wohnungen zu reduzieren?

Photokatalytische Oberflächen können superhydrophil sein, d. h. Wasser breitet sich auf der Oberfläche aus und ermöglicht so das Abwaschen von Schmutz. Zu den kommerziellen Anwendungen gehören selbstreinigende Fenster (z. B. San Gobain Bioclean™, Pilkington Active™ und Sunclean™) und Glasabdeckungen für Tunnelbeleuchtung. Diese Beschichtungen sind naturgemäß transparent.

Der Photokatalysator kann zur Beschichtung von Wänden, Tischen und anderen Oberflächen eingesetzt werden, um Infektionen durch Kontakt zu reduzieren. Mit TiO₂ beschichtete Wandfliesen (Fliesen und Fugen) _ebenfalls ein wirksames, selbstreinigendes und desinfizierendes Material. Die Übertragung von Grippeviren durch Tröpfcheninfektion (Husten, Niesen) kann in Innenräumen durch Adsorption an photoaktiven Oberflächen verringert werden.

Daher kann das Beschichten von Wänden und Decken mit einer Farbe, die einen Photokatalysator enthält, die Ausbreitung von Mikroorganismen, einschließlich pathogener Mikroorganismen, wirksam einschränken, wie in der kurzen Liste der Literaturbeschreibungen oben dargestellt.

Sind solche photokatalytischen Produkte nicht zu kompliziert in der Anwendung?

Photokatalytische Farben sind einfach anzuwenden. Sie erfordern keine speziellen Anwendungstechniken oder Geräte. Die Beschichtungen werden mit herkömmlichen Methoden wie Pinsel, Rolle oder Sprühgerät aufgetragen. Da sie auf Wasserbasis sind, entstehen keine Gerüche, und die Geräte können mit Wasser gereinigt werden.

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