Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Licht und Keime
Die Nanobeschichtung von LED-Leuchtmitteln mit Titandioxid (TiO2) bietet zahlreiche Vorteile. Als wirksamer UV-Filter mit minimaler Durchgangsdämpfung im Bereich des sichtbaren Lichts wird eine hocheffiziente, langlebige, augenfreundliche und farbwiedergabepräzise Beleuchtung ermöglicht. Die Bildung von freien Sauerstoffradikalen wirkt keimtötend, eliminiert chemische Ausdünstungen und bewirkt eine starke Selbstreinigungskraft.
LED-Leuchtmittel
Als im Jahre 1962 der amerikanische Physiker und Ingenieur Nick Holonyak (Bild) die erste im sichtbaren Lichtbereich emittierende Laserdiode (LED: Light Emitting Diode) erfand und demonstrierte, war dies die Geburtsstunde der industriell gefertigten LEDs. Im Zuge seines langen Lebens (03. 11. 1928–18. 09. 2022) konnte der Wissenschaftler die ungeheuren Fortschritte auf dem Gebiet dieser vielseitigen, langlebigen und energieeffizienten Lichtquelle nahezu bis zum heutigen Stand der Entwicklung verfolgen. Holonyak promovierte im Jahr 1954 als erster Doktorand von John Bardeen, der gemeinsam mit den Physikern William B. Shockley und Walter Brattain am 23. Dezember 1947 den Transistoreffekt entdeckte und gemeinsam mit diesen im Jahr 1956 den Nobelpreis erhielt.
Dieser Artikel will sich nicht dem weiten Feld der Halbleiterphysik um die LED widmen, sondern einem Effekt, der den Nutzen der LED noch einmal erheblich steigern kann. Die Rede ist von einer Beschichtung von LED-Leuchtmitteln mit einer transparenten, photokatalytischen Schicht.
Photokatalyse
Die Wirkung der Photokatalyse wird in einer Druckschrift „Photokatalytische Oberflächen – Herstellung, Charakterisierung und Bewertung“ des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB wie folgt beschrieben: „Photokatalyse ist die Umwandlung chemischer Substanzen unter dem Einfluss von Licht. Der Photokatalysator absorbiert die Energie des Lichts, überträgt sie auf eine reaktive Verbindung und löst so – häufig über die Bildung von Radikalen – eine chemische Reaktion aus. … Ein gebräuchlicher Photokatalysator ist Titandioxid (TiO2). … Mit photokatalytischen Prozessen lassen sich organische Materialien abbauen. Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur Vermeidung eines mikrobiellen Bewuchses an Oberflächen, unterstützen Reinigungsprozesse und werden auch zur Luftreinhaltung und Wasseraufbereitung verwendet. … Im Idealfall werden in Anwesenheit des Photokatalysators und von UV-Strahlung infolge der Radikalbildung organische Substanzen von der Oberfläche abgelöst und zersetzt.“
Wenn es nur um eine knappe Zusammenfassung der Wirkung der Photokatalyse geht, ist dem kaum etwas hinzuzufügen. Dennoch sollen einige Begriffe näher erklärt und mit Hintergrundinformationen versehen werden.
Katalysator
Eine Substanz, welche die Geschwindigkeit eines chemischen Vorgangs beeinflusst (meistens beschleunigt), ohne dabei selbst verbraucht zu werden, nennt man Katalysator. Bei Photokatalysatoren erfolgt die katalytische Wirkung unter dem Einfluss von Strahlung im sichtbaren und vorzugsweise im höherenergetischen UV-Bereich (UV: Ultra Violet) durch Bildung sogenannter reaktiver Sauerstoffradikale (englisch: reactive oxygen species, ROS) an der Katalysatoroberfläche.
In biologischen Organismen entstehen reaktive Sauerstoffspezies unter anderem durch Entzündungszellen, um so Viren und Bakterien zu schädigen und unwirksam zu machen. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass reaktive Sauerstoffradikale eine abtötende Wirkung für Krankheitserreger, aber auch eine zersetzende Wirkung auf eine Vielzahl anderer organischer Substanzen haben. Weil der Photokatalysator sich bei der Radikalbildung nicht verbraucht, bleibt seine Wirkung über lange Zeiträume erhalten.
Titan ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ti und der Ordnungszahl 22 im Periodensystem der Elemente. Es gehört zu den zehn häufigsten Elementen in der Erdkruste und kommt dort meist in gebundener Form vor, also legiert mit anderen Metallen in Gestalt von Mineralien.
Titandioxid (TiO2) ist die Verbindung von Sauerstoff und Titan und tritt in fünf in der Natur vorkommenden Modifikationen auf. Die photokatalytische Wirkung der Variante Anatas ist am stärksten. Im Jahr 2015 lag die weltweite Produktion von Titandioxidpigmenten bei etwa 5,3 Millionen Tonnen.
Titandioxid hat in der industriellen Fertigung viele Anwendungen. So auch für die Herstellung von weißen und bunten Farben, Lacken und Druckfarben. Nicht zuletzt findet sich das Weißpigment in Kosmetikprodukten, Sonnen- oder Zahncreme, aber auch im Farbstoff E171 in Lebensmitteln wegen seiner aufhellenden und Glanz erzeugenden Wirkung. Seine Verwendung als Lebensmittelzusatz ist seit dem 1. August 2022 verboten. Heute gilt die allgemeine Empfehlung, TiO2 in Lebensmitteln und Kosmetika, besonders in Form von Nanopartikeln, wegen des Verdachts gesundheitlicher Schädigungen gänzlich zu meiden.
Bei der Beschichtung von Leuchtkörpern spielen derartige Bedenken keine Rolle. Hier erfolgen die lichtinduzierten chemischen Radikal-Reaktionen ausschließlich an der Oberfläche. Es tritt eine durchaus erwünschte UV-Schutzwirkung durch das TiO2 auf. Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit sind nicht bekannt.
Autor: Karsten Jungk
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