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In der vorliegenden Arbeit konnten erfolgreich zwei unterschiedliche Hybridmaterialien (HM) über die Sol-Gel-Methode synthetisiert werden. Bei den HM handelt es sich um Monolithe mit einem Durchmesser von bis zu 4,5 cm. Das erste HM besteht aus Titandioxid und Bombyx mori Seide und wird als TS bezeichnet, während das zweite weniger Seide und zusätzlich Polyethylenoxid (PEO) enthält und daher als TPS abgekürzt wird. Einige der HM wurden nach der Synthese in eine wässrige Tetrachloridogoldsäure-Lösung getaucht, wodurch sich auf der Oberfläche Goldnanopartikel gebildet haben.
Die Materialien wurden mittels Elektronenmikroskopie, energiedispersiver Röntgenspektroskopie, Ramanspektroskopie sowie Röntgenpulverdiffraktometrie charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide HM aus etwa 5 nm großen, sphärischen Titandioxidnanopartikeln aufgebaut sind, die primär aus Anatas und zu einem geringen Anteil aus Brookit bestehen. Die Goldnanopartikel bei TPS_Au waren größer und polydisperser als die Goldnanopartikel auf dem TS_Au HM. Darüber hinaus sind die Goldnanopartikel im TS HM tiefer in das Material eingedrungen als beim TPS HM.
Die weiterführende Analyse der HM mittels Elementaranalyse und thermogravimetrischer Analyse ergab für TPS einen geringeren Anteil an organischen Bestandteilen im HM als für TS, obwohl für beide Synthesen die gleiche Masse an organischen Materialien eingesetzt wurde. Es wird vermutet, dass das PEO während der Synthese teilweise wieder aus dem Material herausgewaschen wird. Diese Theorie korreliert mit den Ergebnissen aus der Stickstoffsorption und der Quecksilberporosimetrie, die für das TPS HM eine höhere Oberfläche als für das TS HM anzeigten.
Die Variation einiger Syntheseparameter wie die Menge an Seide und PEO oder die Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung hatte einen großen Einfluss auf die synthetisierten HM. Während unterschiedliche Mengen an PEO die Größe des HM beeinflussten, konnte ohne Seide kein HM in einer ähnlichen Größe hergestellt werden. Die Bildung der HM wird stark von der Zusammensetzung der Titandioxidvorläuferlösung beeinflusst. Eine Veränderung führte daher nur selten zur Bildung eines homogenen HM.
Die in dieser Arbeit synthetisierten HM wurden als Photokatalysatoren für die Wasserspaltung und den Abbau von Methylenblau eingesetzt. Bei der photokatalytischen Wasserspaltung wurde zunächst der Einfluss unterschiedlicher Goldkonzentrationen beim TPS HM auf die Wasserstoffausbeute untersucht. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Menge von 2,5 mg Tetrachloridogoldsäure erhalten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass mit dem TPS HM eine deutlich höhere Menge an Wasserstoff gewonnen werden konnte als mit dem TS HM. Die Ursachen für die schlechtere Aktivität werden in der geringeren spezifischen Oberfläche, der unterschiedlichen Porenstruktur, dem höheren Anteil an Seide und besonders in der geringeren Größe und höheren Eindringtiefe der Goldnanopartikel vermutet. Darüber hinaus konnte mit einem höheren UV-Anteil in der Lichtquelle sowie durch die Zugabe von Ethanol als Opferreagenz eine Zunahme der Wasserstoffausbeute erzielt werden.
Bei dem Methylenblauabbau wurde für beide HM zunächst nur eine Adsorption des Methylenblaus beobachtet. Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid konnte nach 8 h bereits eine fast vollständige Oxidation des Methylenblaus unter sichtbarem Licht beobachtet werden. Die Ursache für die etwas höhere Aktivität von TPS gegenüber TS wird in der unterschiedlichen Porenstruktur und dem höheren Anteil an Seide im TS HM vermutet. Insgesamt zeigen beide HM eine gute photokatalytische Aktivität für den Abbau von Methylenblau im Vergleich zu den erhaltenen Werten aus der Literatur.
The synthesis, structure, and photocatalytic water splitting performance of two new titania (TiO2)/gold(Au)/Bombyx mori silk hybrid materials are reported. All materials are monoliths with diameters of up to ca. 4.5 cm. The materials are macroscopically homogeneous and porous with surface areas between 170 and 210 m(2)/g. The diameter of the TiO2 nanoparticles (NPs) - mainly anatase with a minor fraction of brookite - and the Au NPs are on the order of 5 and 7-18 nm, respectively. Addition of poly(ethylene oxide) to the reaction mixture enables pore size tuning, thus providing access to different materials with different photocatalytic activities. Water splitting experiments using a sunlight simulator and a Xe lamp show that the new hybrid materials are effective water splitting catalysts and produce up to 30 mmol of hydrogen per 24 h. Overall the article demonstrates that the combination of a renewable and robust scaffold such as B. mori silk with a photoactive material provides a promising approach to new monolithic photocatalysts that can easily be recycled and show great potential for application in lightweight devices for green fuel production.
The synthesis, structure, and photocatalytic water splitting performance of two new titania (TiO 2 )/gold(Au)/Bombyx mori silk hybrid materials are reported. All materials are monoliths with diameters of up to ca. 4.5 cm. The materials are macroscopically homogeneous and porous with surface areas between 170 and 210 m 2/g. The diameter of the TiO 2 nanoparticles (NPs) – mainly anatase with a minor fraction of brookite – and the Au NPs are on the order of 5 and 7–18 nm, respectively. Addition of poly(ethylene oxide) to the reaction mixture enables pore size tuning, thus providing access to different materials with different photocatalytic activities. Water splitting experiments using a sunlight simulator and a Xe lamp show that the new hybrid materials are effective water splitting catalysts and produce up to 30 mmol of hydrogen per 24 h. Overall the article demonstrates that the combination of a renewable and robust scaffold such as B. mori silk with a photoactive material provides a promising approach to new monolithic photocatalysts that can easily be recycled and show great potential for application in lightweight devices for green fuel production.