DE102014000888B4 - Vorrichtung zur katalytischen, photochemischen Aufspaltung von Wasser zur Gewinnung von Wasserstoff - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur photochemischen Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser bei gleichzeitiger Oxidation eines weiteren Stoffes mithilfe eines polymeren Kohlenstoffnitrid-Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffnitrid als graphitisches Polymer vorliegt, welches an Fasern oder tröpfchenförmige Partikel eines wasserunlöslichen Trägerpolymeres mit einer Faserdicke, beziehungsweise einem Tröpfchendurchmesser, im Nano- bis Mikrometer-Bereich angelagert ist, die zu einer makroskopisch zusammenhängenden Struktur verarbeitet sind, die durch ein sogenanntes Electrospinning/spraying-Verfahren hergestellt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus ZHANG, Y. & ANTONIETTI, M.: Photocurrent generation by polymeric carbon nitride solids: an initial step towards a novel photovoltaic system. Chem. Asian J. 5, 1307–11 (2010) oder YANG, F. ET AL.: Solar hydrogen evolution using metal-free photocatalytic polymeric carbon nitride/CuInS₂ composites as photocathodes. J. Mater. Chem. A 1, 6407–6415 (2013) bekannt. Während bei der erstgenannten Vorrichtung lediglich ein Photostrom gemessen werden kann, lässt sich mit der zweiten Vorrichtung bereits auch eine signifikante Wasserstoffentwicklung messen. Allerdings ist zu deren Betrieb auch Indium notwendig, welches zum einem relativ teuer und zum anderem auch unter unter Gesichtspunkten der Umwelt bedenklich ist. Beide Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, dass ihr Wirkungsgrad sehr gering ist.
• Aus XU, J., WANG, Y. & ZHU, Y.: Nanoporous Graphitic Carbon Nitride with Enhanced Photocatalytic Performance. Langmuir 29, 10566–10572 (2013) ist eine verbesserte derartige Vorrichtung bekannt, die allerdings immer noch einen geringen Wirkungsgrad hat und auch in der Herstellung aufwendig ist.
• Alle zuvor genannten Katalysatoren liegen in Pulverform vor und weisen daher den gemeinsamen Nachteil auf, dass ihre Handhabung – insbesondere ihre Abtrennung vom Reaktionsgemisch – sich schwieriger gestaltet.
• Aus der DE 11 2006 003 498 T5 ist es bekannt ein photokatalytisch aktives Material auf einen Textilträger aufzubringen, womit die Nachteile von pulverförmigen Katalysatoren vermieden werden. Allerdings stellt sich dabei der Nachteil ein, dass zum einem die katalytisch aktive Oberfläche relativ gering ist. Darüber hinaus ist dabei auch ein Bindemittel zwischen Substrat und Träger notwendig. Das in YUEN, R. K. K. ET AL.: Influence of g-C₃N₄ Nanosheets an Thermal Stability and Mechanical Properties of Biopolymer Electrolyte Nanocomposite Films: A Novel Investigation. ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 429–437 (2014) beschriebene Verfahren weist den Nachteil auf, dass nur geringe Gewichtsanteile an katalytisch aktiven Material verwendet werden können und die Lichtabsorption nicht optimiert wurde. Darüber hinaus war auch kein deutlich erhöhter Wirkungsgrad feststellbar.
• Die in YAMAUCHI, Y. ET AL.: Direct synthesis of nanoporous carbon nitride fibers using Al-based porous coordination polymers (Al-PCPs). Chem. Commun. 47, 8124–8126 (2011) beschriebene Methode zeigt als Alternative zum sogenannten silica templating zwar eine Möglichkeit zur Vergrößerung der aktiven Oberfläche auf. Allerdings ist auch hier Flusssäure notwendig, wodurch das Verfahren – besonders aufgrund von benötigten Schutzmaßnahmen – schwieriger durchzuführen ist.
• Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu verbessern, dass sie zur Erzeugung von größeren Mengen an Wasserstoff einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist, und dies für ein vergleichsweise breites Spektrum des verwendeten Lichtes. Des weiteren war es Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung so zu verbessern, dass sie preiswert, umweltverträglich und großtechnisch umgesetzt werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Graphitisches Kohlenstoffnitrid kann auch für organische Reaktionen verwendet werden. Zu nennen wäre die Oxidation von Alkanen, Olefinen, Alkoholen, Heteroaromaten, die Direktoxidation von Benzol zu Phenol sowie der Abbau von Verschmutzungen durch Oxidation, Hydrierungen und zum Beispiel auch die Akivierung von π-Bindungen und aromatischen Systemen (siehe hierzu auch WANG, Y., WANG, X. & ANTONIETTI, M.: Polymeres graphitisches Kohlenstoffnitrid als heterogener Organokatalysator: von der Photochemie über die Vielzweckkatalyse bin zur nachhaltigen Chemie. Angew. Chemie 124, 70–92 (2012)). Durch diese Mehrfachverwendung könnte der an für sich schon aus kostengünstigen Materialien bestehende erfindungsgemäße Katalysator aufgrund einer Produktion im größeren Maßstab noch preiswerter werden.
• Kohlenstoffnitrid hat gegenüber anderen Katalysatoren weiterhin den Vorteil, dass es thermisch und chemisch sehr stabil ist. Darüber hinaus lässt es sich auch mit relativ einfach Mitteln, beispielsweise unter Nutzung des Chelat-Effekts, chemisch modifizieren.
• Durch Verwendung eines Electrospinning/spraying-Verfahrens ist der Aufbau im Vergleich zu einem anderen Spinnverfahren, wie beispielsweise Extrusion, deutlich variabler in Bezug auf den Aufbau der makroskopisch zusammenhängenden Struktur. So kann man beispielsweise durch Veränderungen weniger Parameter zunächst einmal zwischen Fasern- und Tröpfchenform wählen. Im ersten Fall lässt sich sowohl Faseraufbau, -durchmesser und -oberfläche variieren, sowie deren Orientierung, während im zweiten Fall die Verteilung der Tröpfchen und deren Durchmesser verändert werden kann. Der Aufbau für das Electrospinning/spraying-Verfahren kann aufskaliert und damit auch leicht technisch verwendet werden.
• Darüber hinaus kann durch die Verwendung eines Electrospinning/spraying-Verfahrens die Defektdichte verringert und dadurch der Wirkungsgrad erhöht werden.
• Dadurch dass man Kohlenstoffnitrid an Fasern oder Tröpfchen, deren Dicke im Nano- bis Mikrometer-Bereich liegt, anlagert, tritt der Vorteil ein, dass die aktive Oberfläche des Kohlenstoffnitrids und damit auch der Wirkungsgrad bei der Wasserstofferzeugung erhöht wird. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die direkte Umwandlung von Lichtenergie in speicherbare chemische Energie in technisch verwertbarem Maßstab.
• Darüber hinaus ist für die Herstellung der Vorrichtung kein wesentlich größerer Aufwand nötig als bei den bekannten Vorrichtungen. Auch die Herstellung des Trägerpolymeres gestaltet sich sehr preiswert. Darüber hinaus sind auch keine Chemikalien nötig, die stark umweltbelastende Eigenschaften aufweisen oder hohen Aufwand für Mitarbeiterschutz nötig machen.
• Bildet man die Vorrichtung nach Anspruch 2 weiter, ergibt sich der Vorteil, dass Folien durch ihre große Oberfläche einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen und leicht transportiert und weiterverarbeitet werden können. Darüber hinaus können Folien mit dem Electrospinning/spraying-Verfahren besonders leicht hergestellt werden. Folien ermöglichen besonders einfache Anwendung, da sie beispielsweise sehr leicht aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden können.
• Durch das kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 3 ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung der Polymerfasern bzw. Tröpfchen. Damit können homogenere Materialien hergestellt werden, was zum einem die Anwendbarkeit erleichtert, da beispielsweise benötigte Mengen an Katalysator besser abgeschätzt werden können. Ein rotierender Sammler (Anspruch 3) ermöglicht eine einfach steuerbare Orientierung und Verteilung der Polymerfasern bzw. -tröpfchen, womit die Gefahr von deren Verklumpung deutlich vermindert wird. Verklumpungen sind nicht erwünscht, da diese die aktive Oberfläche verringern. Darüber hinaus lässt sich über Radius und Drehgeschwindigkeit des Sammlers die Morphologie der mechanisch zusammenhängenden Struktur aus Trägerpolymer und Kohlenstoffnitrid beeinflussen.
• Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ermöglicht eine umweltverträgliche und preiswerte Herstellung der makroskopisch zusammenhängen Struktur. Durch die leichte Verdampfbarkeit von Essigsäure lassen sich auch bei niedrigeren Spannungen zwischen Nadel und Sammler Fasern aus schwerer löslichen Substanzen wie Kohlenstoffnitrid leicht und schnell herstellen.
• Für die Parameter beim Electrospinning/spraying-Verfahren hat sich der breite Wertebereich gemäß Anspruch 5 ergeben, womit eine beträchtliche Bandbreite von Faser- und Tröpfchenmorphologien und -orientierungen hergestellt werden kann. So kann durch die Steuerung der Pumpgeschwindigkeit die Dicke der Fasern bzw. Tröpfchen, sowie die Geschwindigkeit von deren Herstellung gesteuert werden, was ebenso aber auch über die die Steuerung der Spannung die Faser- bzw. Tröpfchendicke erreicht werden kann. Des weiteren kann man durch Veränderung der Spannung die Ladungsdichte regeln und damit steuern, ob überwiegend Electrospinning oder Electrospraying stattfindet. Über die Steuerung des Abstandes zwischen Nadel und Sammler kann die Faserdicke gesteuert werden. Schließlich erlaubt die Veränderung der Distanz zwischen Nadel und Sammler eine weitere Steuerungsmöglichkeit der Faser- bzw. Tröpfchendicke.
• Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ermöglicht die Herstellung von Polymerfasern bzw. -tröpfchen im Nano- bis Mikrometer-Bereich mit sehr preiswerten und sehr umweltverträglichen Mitteln. Darüber hinaus wird die Herstellung durch die gute Löslichkeit von Celluloseacetat in Säuren vereinfacht. Celluloseacetat bietet als Isolator den Vorteil, dass es die bei diesen Prozess sehr wichtige Ladungstrennung verbessert.
• Bildet man die Erfindung nach Anspruch 7 weiter, ergibt sich eine sehr leichte und preiswerte Möglichkeit der Synthese von graphitischen Kohlenstoffnitrid. Diese Synthese ist damit leichter großtechnisch umsetzbar, da außer der Erhitzung keine weiteren Verfahrensschritte notwendig sind. Des weiteren ist Dicyandiamid eine Grundchemikalie, die sehr preiswert ist.
• Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 8 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades, da die genannten Stoffe die Absorption von Licht und die Ladungstrennung verbessern, wodurch eine Erhöhung des Photostromes eintritt. Da sich das mit den genannten Stoffen modifizierte Kohlenstoffnitrid gleich wie das nicht-modifizierte Kohlenstoffnitrid verarbeiten lässt, ist mit der Verwendung dieser Modifikationen kein höherer Herstellungsaufwand verbunden. Darüber hinaus ist deren Verwendung preiswert und umweltverträglich.
• Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche.
• Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
• Dabei zeigt:
• 1 die Synthese des graphitischen Kohlenstoffnitrids ausgehend von Dicyandiamid,
• 2 eine Charakterisierung des verwendeten graphitischen Kohlenstoffnitrids mittels Infrarotspektroskopie,
• 3 in schematischer Weise den Aufbau zur Durchführung des Electrospinning/spraying-Verfahrens,
• 4 eine Messung des Photostromes bei graphitischem Kohlenstoffnitrid in Pulverform nach dem Stand der Technik,
• 5 einen Strukturausschnitt aus einem modifizierten graphitischen Kohlenstoffnitrid-Molekül, ebenfalls nach dem Stand der Technik und
• 6 eine Messung des Photostromes bei einer mittels Electrospraying hergestellten erfindungsgemäßen Folie, welche aus Celluloseacetat-Fasern mit angelagertem graphitischen Kohlenstoffnitrid besteht.
• 1 zeigt in schematischer Weise die Reaktionen bei der Synthese von graphitischem Kohlenstoffnitrid (4), ausgehend von Dicyandiamid (1). Dabei kondensiert Dicyandiamid (1) bei Erhitzung unter Abspaltung von Ammoniak (5) zu N2-(4,6-Diamino-1,3,5-triazin-2-yl)-1,3,5-triazin-2,4,6-triamin, welches auch Melam (2) genannt wird. Erhitzt man nun weiter, kondensiert Melam unter Abspaltung von Ammoniak (5) zu Triamino-s-Triazin(1,3,4,6,7,9,9b-Heptaazaphenalen-2,5,8-triamin), welches auch Melem (3) genannt wird. Dieses kondensiert bei weiterer Erhitzung bis auf 560°C zum gelben graphitischen Kohlenstoffnitrid, welches aus tri-s-Triazin-Einheiten besteht. Diese Synthese lässt sich in kleinem Maßstab beispielsweise einfach in einem Muffelofen mit programmierten Temperaturverlauf durchführen. Alle Zwischenprodukte haben keine Gefahrguteinstufung und sind somit unbedenklich. Über die Messung der Ammoniak-Produktion lässt sich leicht der Fortschritt der Synthese überprüfen. Das über die Kondensationsreaktion hergestellte graphitische Kohlenstoffnitrid kann nun mit einen Trägerpolymer, wie Celluloseacetat, in einer leicht verdampfbaren Säure, wie beispielsweise konzentrierter Essigsäure, gelöst werden. Diese Lösung sollte für die Verwendung in einem sogenannten Electrospinning/spraying-Verfahren leicht viskos sein.
• 2 zeigt eine Charakterisierung des verwendeten Kohlenstoffnitrids mittels Fourier-Transformation Infrarotspektroskopie. Das Spektrum wurde ohne weitere Probenvorbereitung mit einem Spectrum Two Spectrometer der Firma Perkin Elmer gemessen. Dabei handelt sich um ein Gerät, welches mit abgeschwächter Totalreflexion arbeitet. Im Spektrum lassen sich für das graphitische Kohlenstoffnitrid charakteristische Schwingungen, wie die s-Triazin Atemschwingung bei 810 cm^–1, erkennen. Des weiteren ist ersichtlich, dass in der analysieren Struktur Bindungen zwischen Kohlenstoff und Stickstoff vorliegen. Es lassen sich die Banden für die Doppelbindung (1690–1630 cm^–1) und die Einfachbindung zwischen Kohlenstoff und Stickstoff erkennen (1590–1030 cm^–1). Außerdem lässt sich eine breite Bande im Bereich zwischen 800 und 600 cm^–1 erkennen, die auf graphitische sp²-Wechselwirkungen zurückzuführen ist.
• 3 zeigt in schematischer Weise den Aufbau des Electrospinning/spraying-Verfahrens. Zur Abschirmung des Versuchs gegen äußere Einflüsse und zum Schutz des Experimentators vor der Hochspannung befindet sich der Bereich in welchem Hochspannung anliegt, in einem Gehäuse (6) aus Polyethylen(PE)-Platten mit den Dimensionen von 800 cm (Höhe) auf 800 cm (Breite) auf 400 cm (Tiefe). Zur weiteren Absicherung befindet sich die mit der Polymerlösung gefüllte Spritze (10) außerhalb des Gehäuses. Die Spritze wird mittels eines sogenannten LuerLock-Anschluss an einen durchsichtigen Kunststoffschlauch (11) angeschlossen, welcher über ein Kunststoffrohr (12) in das Gehäuse (6) geleitet wird. Als weitere Absicherungsmaßnahme kann noch ein Vorwiderstand (19) zwischengeschaltet werden, um durch eine Verringerung der Stromstärke die Sicherheit noch weiter zu erhöhen.
• Die Platte für die Halterung des Sammlers (17) ist auf Klötzen aus Holz (7) gelagert, welche mittels großer Kunststoffschrauben in der Bodenplatte des Gehäuses (6) befestigt werden. In der Bodenplatte des Gehäuses (6) sind im Abstand von jeweils 5 cm passende Löcher gebohrt. Die Platte für die Halterung des Sammlers ist ebenfalls aus PE und wird oben über Kunststoffstopfen befestigt. Durch das verschiebbare Kunststoffrohr als Schlauchführung (12) und durch die Befestigung der Sammlerplatte über Klötze (7), welche mittels Schrauben an der Bodenplatte befestigt werden, ist ein leichter und schneller Umbau des Electrospinning/spraying-Aufbaus möglich. Der rotierende Sammler (15) besteht aus einem Aluminiumrohr mit einem Innendurchmesser von 2,1 cm und einem Außendurchmesser von 2,5 cm. Das Rohr wird über Flansche mit angedrehten Wellen in Winkeln aus Aluminium, welche an der Halterungsplatte (17) fixiert sind, befestigt. Die beiden Wellen des Sammlers (15) sind mittels Kugellagern gelagert um die Lärmentwicklung zu mindern und einen ruhigen Lauf des Sammlers (15) zu ermöglichen. Eine der beiden Wellen weist eine Bohrung auf, um darin die Motorwelle eines 12 V DC-Motors (16), der das Sammlerrohr antreibt, mittels einer Schraube zu befestigen. Der DC-Motor (16) ist ebenfalls an einem Winkel, an dem das Rohr (15) fixiert ist, befestigt und kann über ein Labornetzgerät (8) angetrieben werden. Über die Regulierung der Stromstärke ist eine Steuerung von dessen Drehgeschwindigkeit möglich. Nach Befüllung der Spritze (10) und des Schlauches (11) mit der Lösung des aus Celluloseacetat bestehenden Trägerpolymers und graphitischen Kohlenstoffnitrid in Essigsäure wird letzterer durch das Kunststoffrohr (12) geführt und eine Nadel (13), im Bereich der Größe Gauge 20, an den Schlauch angeschlossen. Danach kann der Abstand zwischen Nadel (13) und Sammler (15) eingestellt werden. Ist dies erfolgt, kann die Nadel (13) an den Pluspol der Hochspannungsquelle (18) angeschlossen werden. Der Sammler (15) wird auf Erde gelegt. Ist dies erfolgt, kann mittels der Spritzenpumpe (9) die Pumpgeschwindigkeit geregelt werden. Die Regelung der Pumpgeschwindigkeit erlaubt eine Steuerung der Faserdicke und ist der wichtigste Parameter, um die Geschwindigkeit des Herstellungsprozesses zu beeinflussen. Nach dem Start des Pumpens wird der Sammler (15) eingeschaltet. Sobald sich ein Tropfen an der Nadel (13) gebildet hat, wird die Hochspannung angelegt. Dabei wird diese Spannung so eingestellt, dass es einen stabilen Strahl an Fasern bzw. Tröpfchen zwischen Nadel (13) und Sammler (15) gibt. Durch die angelegte Hochspannung und die daraus resultierende Ionisierung der Teilchen der Lösung kommt es zur Abstoßung zwischen den Teilchen der Lösung in der Nadel (13). In einem Zusammenspiel zwischen elektrostatischer Abstoßung, Luftdruck, Schwerkraft und Oberflächenspannung bildet sich ein sogenannter Taylor cone. Aus diesem bildet sich ein Strahl aus Polymerfasern/töpfchen (14), die über ihre Flugzeit zum Sammler (15) langgezogen und getrocknet werden. Die Dauer der Flugzeit und damit die Dicke der Faser bzw. der Durchmesser der Tröpfchen hängt vom Abstand zwischen Nadel (13) und Sammler (15) sowie von der angelegten Hochspannung ab. Zum Beenden des Prozesses wird zunächst die Hochspannung und danach die Pumpe (9) und der Sammler (15) abgeschaltet. Nach Erdung aller Teile kann die Folie, die sich nun auf dem Sammler (15) befindet, beispielsweise mit einem Skalpell, einfach durchgeschnitten und damit abgenommen werden
• 4 zeigt den gemessenen Photostrom von nicht-modifizerten Kohlenstoffnitrid-Pulver nach dem Stand der Technik. Das Pulver wurde hierfür in Wasser und PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylendioxythiophen)poly(styrolsulfonat)) gelöst und auf ITO(Indium-Zinn-Oxid)-Glas aufgetragen. Die Beschichtung wurde bei Raumtemperatur getrocknet und bei 115°C versiegelt. Gemessen wurde der Strom gegen eine Ag/AgCl-Elektrode in einer 0,1 molL^–1 KCl-Lösung. Die An/Aus Zyklen wurden durch Abdunkeln und Beleuchten mit einem Halogenstrahler (500 W), der ein ähnliches Lichtspektrum wie Tageslicht besitzt, generiert.
• 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Molekül von graphitischen Kohlenstoffnitrid, welches mit Metall-Kationen, wie zum Beispiel Zink und Eisen, modifiziert wurde. Das „R” steht hierbei für weitere tri-s-Triazin-Einheiten. Das Metallkation wird hauptsächlich über N-M-Bindungen zwischen den tri-s-Triazin-Einheiten gehalten. Mit Zink modifiziertes graphitisches Kohlenstoffnitrid lässt sich beispielsweise dadurch herstellen, dass man Kohlenstoffnitrid im Ultraschallbad in Methanol löst und dann wenige Gewichtsprozente Zinkoxid zugibt. Dieses Gemisch lässt man für mehrere Stunden rühren und dampft dann das Methanol ab. Der Rückstand wird dann getrocknet. Alternativ kann man die Metallkationen schon mit Dicyandiamid in das Kohlenstoffnitrid einbringen. Hierfür wird mit Dicyandiamid analog zum zuvor beschriebenen Verfahren gelöst. Zu der Lösung wird ein Salz mit dem gewünschten Kation gegeben. Danach wird das Lösungsmittel abgedampft und der Rückstand getrocknet. Den getrockneten Rückstand kann man mit der schon beschriebenen Methode durch Aufheizen auf 560°C zu graphitischem Kohlenstoffnitrid verarbeiten, welches dann mit Metallkationen modifiziert ist.
• 6 zeigt eine charakteristische Photostrommessung für eine erfindungsgemäße Folie aus graphitischen Kohlenstoffnitrid mit Celluloseacetat als Trägerpolymer, die mit dem sogenannten Electrospinning/spraying-Verfahren hergestellt wurde. Die verwendete Menge an graphitischen Kohlenstoffnitrid war dabei die gleiche wie bei der Messung nach 4. Die Elektrode wurde durch Aufkleben eines Folienstücks mit PEDOT:PSS auf ITO-Glas hergestellt. Gemessen wurde mit dem gleichen Aufbau wie bei der Messung nach 4. Eingesetzt wurde die Folie bei Umgebungslicht. Es konnten keine An/Aus-Zyklen gemessen werden, da die Folie durch die Entwicklung von Gas sich sofort nach dem Einsetzen vom ITO-Glas löste. Ausgehend von 2,5 μA für das Pulver von graphitischen Kohlenstoffnitrid nach dem Stand der Technik (4) entsprechen über 146,2 μA der erfindungsgemäßen Folie einer Steigerung um nahezu das 60-fache.
• Die Herstellung von mesoporösen graphitischen Kohlenstoffnitrid ist in KWON, K., SA, Y. J., CHEON, J. Y. & JOO, S. H.: Ordered mesoporous carbon nitrides with graphitic frameworks as metal-free, highly durable, methanol-tolerant oxygen reduction catalysts in an acidic medium. Langmuir 28, 991–6 (2012) beschrieben. Bezugszeichenliste

  Nummer	Bezeichnung
  1	Dicyandiamid
  2	Melam
  3	Melem
  4	graphitisches Kohlenstoffnitrd
  5	Ammoniak
  6	PE-Gehäuse
  7	Halterung der Mittelplatte
  8	Labornetzgerät
  9	Spritzenpumpe
  10	Spritze mit LuerLock-Anschluss
  11	Schlauch mit LuerLock m/w
  12	Schlauchführung
  13	Nadel
  14	Fasern/Tröpfchenspray
  15	rotierender Sammler
  16	12 V DC-Motor
  17	Platte aus PE für Sammler-Haltung
  18	Hochspannungsquelle
  19	Vorwiderstand

Claims (8)

1. Vorrichtung zur photochemischen Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser bei gleichzeitiger Oxidation eines weiteren Stoffes mithilfe eines polymeren Kohlenstoffnitrid-Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenstoffnitrid als graphitisches Polymer vorliegt, welches an Fasern oder tröpfchenförmige Partikel eines wasserunlöslichen Trägerpolymeres mit einer Faserdicke, beziehungsweise einem Tröpfchendurchmesser, im Nano- bis Mikrometer-Bereich angelagert ist, die zu einer makroskopisch zusammenhängenden Struktur verarbeitet sind, die durch ein sogenanntes Electrospinning/spraying-Verfahren hergestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch zusammenhängende Struktur die Form einer Folie aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Electrospinning/spraying-Verfahren ein sogenannter rotierender Sammler eingesetzt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Electrospinning/spraying-Verfahren Kohlenstoffnitrid zusammen mit dem in einer leicht verdampfbaren Säure, vorzugsweise konzentrierte Essigsäure, gelösten Polymer verarbeitet wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abstand von 5 cm bis 20 cm zwischen Nadel und Sammler der Electrospinning/spraying-Anlage die dazwischen anliegende Spannung im Bereich von 15 kV bis 30 kV gewählt wird und, dass die Pumpgeschwindigkeit, mit der das Polymer durch die Nadel gepumpt wird, zwischen 0.010 mL h^–1 bis 0.500 mL h^–1 liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerfasern beziehungsweise Tröpfchen aus Celluloseacetat bestehen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das graphitische Kohlenstoffnitrid aus tri-s-Triazin-Einheiten besteht und durch Erhitzen von Dicyandiamid auf 560°C mit einer Rampe von 2.5°C min^–1 hergestellt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das als Katalysator-Material verwendete Kohlenstoffnitrid mit einigen Gewichtsprozenten Zinkoxid, Eisen, Magnesium oder einem Chromophor modifiziert wird.

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