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2024-09-04T13:12:37Z

Belege: Kat korr

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Das Phänomen der '''Photokatalyse''' (standardsprachlich '''Fotokatalyse''') beschreibt nach [[Iwan Stepanowitsch Plotnikow|Plotnikow]] jede durch [[Licht]] ausgelöste chemische Reaktion. [[Vincenzo Balzani|Balzani]] bezeichnet [[Kinetik (Chemie)|kinetisch]] gehemmte [[exergon]]ische Reaktionen zwischen zwei Partnern A und B, die durch Lichtanregung induziert werden, als Photokatalyse.

[[Wilhelm Ostwald]] dagegen stellt die folgende klassische und noch heute gültige Definition der [[Katalyse]] auf:<ref name="Wilhelm Ostwald">{{Literatur | Autor = Wilhelm Ostwald | Titel = Prinzipien der Chemie. Eine Einleitung in alle chemischen Lehrbücher | Verlag = BoD – Books on Demand | ISBN = 386195689-6 | Jahr = 2011 | Online = {{Google Buch | BuchID = qN8Xk-XwvpIC | Seite = 461 }} | Seiten = 461 }}</ref> {{Zitat|Endlich gibt es zahlreiche Stoffe, deren Zusatz bereits bei sehr geringen Mengen die [[Geschwindigkeit]] einer chemischen Reaktion ändert. In der Mehrzahl der Fälle beteiligen sich diese Stoffe insofern nicht am chemischen Vorgang, als man sie während desselben und auch nach demselben in praktisch unveränderter Menge wiederfindet. Das schließt allerdings nicht aus, dass sie sich an der Reaktion beteiligen, sondern erfordert nur die Annahme, dass die Beteiligung vorübergehend ist, d. h. dass sich diese Stoffe (…) aus den Reaktionsprodukten wieder in unverändertem Zustand freimachen.}}

Dies lässt ein Problem erkennen: [[Photon]]en selbst können nicht als [[Katalysator]] betrachtet werden, da sie während der Reaktion verbraucht werden und nicht in „unverändertem Zustand“ wieder zur Verfügung stehen. Allerdings ist eine Vielzahl von Reaktionen bekannt, die bei [[Raumtemperatur]] nur mäßig oder gar nicht ablaufen, bei Lichteinstrahlung jedoch beträchtlich beschleunigt werden. Als Beispiel hierfür sei die [[Photosynthese]] der [[Pflanzen]] genannt, bei der die vom [[Sonnenlicht]] aufgenommene photonische [[Energie]] übertragen wird auf die katalytische Reaktion von [[Kohlenstoffdioxid|Kohlendioxid]] und [[Wasser]] zu [[Kohlenhydrate]]n und [[Sauerstoff]].

In der modernen Literatur werden die photokatalytischen Reaktionen in zwei Kategorien unterteilt:
* die ''katalytische Photoreaktion'' und die
* ''photosensibilisierte Katalyse'', wobei letztere unterschieden wird in eine
** ''photoinduzierte katalytische Reaktion'' und eine
** ''photoassistierte katalytische Reaktion''.

== Katalytische Photoreaktion ==

[[Bild:Katalytische photoreaktion.svg|mini|none|300px|Prinzipskizze einer katalytischen Photoreaktion]]
Ein photoaktiviertes Molekül tritt mit einem Katalysator in Wechselwirkung, der sich im elektronischen Grundzustand befindet. Ohne eine photochemische Anregung des Substrats (A) findet trotz Anwesenheit des Katalysators keine Reaktion statt (linke Seite). Erst nach erfolgter photochemischer Anregung des Substrats (A') wird durch den Katalysator (K) die Reaktion katalysiert.

== Photosensibilisierte Katalyse ==

Der [[Katalysator]] wird direkt in einen elektronisch angeregten Zustand überführt. Dem Katalysator wird dabei die gleiche Wirkung wie bei der klassischen Katalyse nach [[Wilhelm Ostwald]] zugesprochen, jedoch sind zur Beschreibung der Reaktionsverläufe die speziellen
Eigenschaften elektronisch angeregter Spezies zu berücksichtigen.

=== Photoinduzierte katalytische Reaktion ===

[[Bild:Photoinduzierte katalytische reaktion.svg|mini|none|300px|Prinzipskizze einer katalytischen Photoreaktion]]
Einmalig photochemisch angeregter Katalysator (K*) bewirkt katalytische [[Substratumwandlung]] (S) zu einem Übergangszustand (P*) mit dessen Hilfe erneut ein Katalysator-Molekül angeregt wird.

Beispiel fotografischer Prozess: der Katalysator, metallisches Silber, wird bei der [[Belichtung (Fotografie)|Belichtung]] nach oben stehendem Prinzip erzeugt und katalysiert dann die [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] von weiterem [[Silberbromid]] bei gleichzeitiger [[Oxidation]] des [[Entwicklerflüssigkeit|Entwickler]]s.

=== Photoassistierte katalytische Reaktion ===

[[Bild:Photoassistierte katalytische reaktion.svg|mini|none|300px|Prinzipskizze einer katalytischen Photoreaktion]]
Die photoassistierte katalytische Reaktion erfordert eine permanente Einwirkung von Licht geeigneter [[Wellenlänge]] zur Erzeugung des angeregten Katalysator-Zustands (K*). Wird die Lichtstrahlung unterbunden, setzt auch die Reaktion aus.

Als [[Katalysator]] wird häufig [[Anatas]], eine Modifikation von [[Titandioxid]] eingesetzt. Eine photoassistierte katalytische Reaktion setzt sich aus einer Reihe von physikalischen und chemischen Prozessen ab. Am Anfang steht die Absorption des Lichts. Dabei werden Elektronen in Zustände mit höherer Energie angeregt, bei einem Halbleiter wie Titandioxid von Zuständen des Valenzbands in Zustände des Leitungsbandes (siehe auch [[Bändermodell]]). Dies ist gleichbedeutend mit der Bildung eines Elektron-Loch-Paares. Der nächste Schritt ist die räumliche Trennung von Elektron und Loch und ihre Diffusion an die Oberfläche des Halbleiters. Dort löst dann das Elektron eine Reduktion und das Loch eine Oxidation aus (z. B. kann aus einem Hydroxid-Ion (OH<sup>−</sup>) ein sehr reaktives Radikal (OH<sup>.</sup>) gebildet werden). Oft schließen sich weitere chemische Folgereaktionen an.

== Anwendungen ==
* [[Photokatalytische Wasserspaltung]]
* [[Biokatalytische Abwasserreinigung]]
* [[Photovoltaik]]
* [[Photokatalytische Selbstreinigung]] von Außenfassaden
* [[Photokatalytische Luftreinigung]]
* [[künstliche anorganischen Photosynthese]]
* [[Photodynamische Therapie]]

== Literatur ==
* N. Serpone, A. V. Emeline: ''Suggested terms and definitions in photocatalysis and radiocatalysis.'' In: ''International Journal of Photoenergy.'' 4, 2002, {{doi|10.1155/S1110662X02000144}}, S. 91–141, (englisch)
* [[Walentin Nikolajewitsch Parmon|V. Parmon]], A.V. Emeline, N. Serpone: [http://www.chemistry.mcmaster.ca/~iaps/iupac/iupac_photocatalysis.pdf IUPAC Glossary of Terms in Photocatalysis and Radiocatalysis] (PDF; 299 kB).

== Weblinks ==
* [http://www.photokatalyse.fraunhofer.de/ Allianz Photokatalyse]
* Artikel „[https://www.heise.de/tr/artikel/Putzen-mit-der-Kraft-des-Lichts-278691.html Putzen mit der Kraft des Lichts]“ von [[Susanne Donner]]
* [http://www.umwelt-unternehmen.bremen.de/Page1058.html Abwasserbehandlung mit Licht, Luft und Farbstoff]
* [http://www.chemieonline.de/forum/showthread.php?t=52771 Nachweisverfahren]
* [http://www.angewandte-photokatalyse.de/ Fachverband angewandte Photokatalyse]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Photochemische Reaktion]]
[[Kategorie:Katalyse]]

Photokatalyse - Versionsgeschichte

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