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Abgase en masse entweichen täglich von den Autobahnen in die Luft – auch hier am Kreuz Münster-Nord in Nordrhein-Westfalen.

Photokatalyse

Ein Staubsauger für Stickstoffdioxid

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Wie sich Stickstoffdioxid mit Photokatalyse aus der Luft holen lässt.

Sie stehen im Verdacht, allein in Deutschland Millionen Menschen krank zu machen – und sind vor allem in großen Städten nahezu allgegenwärtig: Stickoxide sind in den vergangenen Jahren zu einem der großen Streitthemen in der Politik avanciert, denn die Hauptquellen sind nicht nur natürlichen Ursprungs, sondern auch menschengemacht und damit potenziell vermeidbar. Stickoxide entstehen immer dann, wenn Öl, Holz, Kohle oder Gas verbrannt wird. Kraftwerke, Maschinen in der Industrie und in der Landwirtschaft setzen sie frei, ebenso Flugzeuge und Schiffe, aber auch Waldbrände und Vulkane.

In den Städten ist der Autoverkehr die mit Abstand größte Quelle für Stickoxide. Bei Fahrzeugen mit Benzinmotoren reduziert der Katalysator den Stickoxid-Ausstoß; Ein Grund, warum die Werte seit den 1990er Jahren deutlich zurückgegangen sind, nach Angaben des Umweltbundesamtes um 58 Prozent. Doch die Belastung ist vielerorts immer noch hoch. Zu einem Großteil dafür verantwortlich sind Dieselmotoren – deshalb die Diskussion um Fahrverbote. Viele Experten vertreten indes die Ansicht, dass das als einzige Maßnahme nicht ausreicht.

Neben der Vermeidung von Stickoxiden zum Beispiel durch Fahrverbote und mehr Elektromobilität könnte ein weiterer Beitrag darin bestehen, diese Substanzen in der Luft unschädlich zu machen. Wissenschaftler haben vor einigen Jahren bereits ein Verfahren entwickelt, mit dem das möglich ist: die Photokatalyse. „Photo“ steht für die Fähigkeit, mit Hilfe von Licht etwas zu erreichen, „Katalyse“ für die Möglichkeit, die Barriere einer chemischen Reaktion zu senken.

In diesem Fall geht es darum, Baumaterialien und Oberflächenbeschichtungen einen bestimmten Inhaltsstoff zuzusetzen, der unter dem Einfluss von Licht die Umwandlung von No2 (Stickstoffdioxid) in NO3 (Nitrat) beschleunigt, erklärt der Chemiker Frank Menzel, Professor an der Technischen Universität in Ilmenau und Leiter der Anwendungstechnik Spezialoxide bei Evonik. Bei dem Unternehmen in Hanau, einer Stadt, in der viele auf Materialforschung spezialisierte Firmen angesiedelt sind, beschäftigt man sich seit Jahren intensiv mit diesem Thema.

Auch am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik in Braunschweig wird die Photokatalyse erforscht und in verschiedenen Projekten getestet. Die Wissenschaftler dort bewerten sie als eine der „umweltfreundlichsten und nachhaltigsten Technologien“.

Frank Menzel in seinem Labor.

Die Photokatalyse führt zu einem schnelleren Ab- und Umbau verschiedener Stoffe. Das besondere Interesse freilich gilt den Stickoxiden. Unter diesem Begriff werden die gasförmigen Oxide des Stickstoffs zusammengefasst, abgekürzt mit der Formel NOx. Im Fokus steht vor allem das Stickstoffdioxid (NO2). Es entsteht, wenn Stickoxide in der Luft mit Sauerstoff reagieren. Stickstoffdioxid ist ein ätzendes Gas, das die Schleimhäute reizt und bei längerer oder starker Exposition in den Atemwegen eine Entzündungsreaktion hervorruft, was in der Folge zu Husten, Bronchitis und Asthma führen kann. Auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen nehmen laut Studien unter einer hohen NO2-Belastung zu, eine jüngere Untersuchung stellte zudem einen Zusammenhang mit Brustkrebs nach der Menopause fest. Als problematisch gilt NO2 auch deshalb, weil es eine Vorläufersubstanz für Feinstaub ist und zudem die Eigenschaft besitzt, den negativen Effekt anderer Luftschadstoffe zu verstärken.

„Der Weg jedes NO2 ist es, zu NO3 zu werden“, erläutert Frank Menzel. In der Natur dauert das seine Zeit, mit Hilfe der Photokatalyse geht dieser Prozess schneller vonstatten. Das Stickstoffdioxid wird dabei aus der Luft gefiltert und in Nitrat umgewandelt, das wiederum irgendwann der Regen wegspült. Der Stoff, der für die schnellere Transformation verantwortlich ist, heißt Titandioxid (TiO2), eine Verbindung aus Titan und Sauerstoff. Weil er nur als Katalysator und nicht als Wirkstoff an diesem Vorgang beteiligt ist, verbraucht er sich mit der Zeit nicht.

„Titandioxid ist ein Photohalbleiter. Das bedeutet, dieser Stoff kann elektrisch leiten, wenn er dazu angeregt wird, in diesem Fall durch Licht“, erklärt Frank Menzel. Die Photokatalyse setzt ein, wenn ultraviolette Strahlung – zum Beispiel Sonnenlicht – auf Materialien fällt, die Titandioxid enthalten. Das Licht regt die Elektronen im Titandioxid an, diese gelangen an die Oberfläche und werden an die Schadstoffe weitergegeben. „Titandioxid ist in der Lage, nahezu alle organischen oder oxidierbaren Moleküle zu oxidieren, also mit Sauerstoff zu verbinden“, erläutert der Chemiker. So wird aus NO2 (N steht für Stickstoff, O für Sauerstoff) NO3.

Nun hat ja auch Nitrat keinen guten Ruf. Weil es für Pflanzen eine gute Quelle ist, um Eiweiße zu bilden, düngen viele Bauern ihre Äcker damit. Problematisch kann Nitrat in hoher Dosis für Menschen werden, weil es unser Organismus zu Nitrit umwandeln kann, aus dem sich krebserregende Nitrosamine bilden können. Menzel sieht das bei der Photokatalyse entstehende Nitrat indes als „vernachlässigbar“ an – nicht zuletzt, weil es um „recht kleine Mengen“ gehe, die dabei entstünden. Stickstoffdioxid ende zudem auch auf natürlichem Wege als Nitrat, nur dauere es eben bedeutend länger.

Das Titandioxid wiederum, das bei diesen Prozessen als Katalysator wirkt, ist kein exotischer, sondern ein höchst alltäglicher Stoff. Als Weißpigment ist es in Anstrichen aller Art enthalten, etwa in Farben und Lacken, sogar schwarzen Farben ist es als Abtönmittel zugesetzt, erklärt Frank Neumann, Leiter der Arbeitsgruppe Photo- und elektrochemische Umwelttechnik am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik. Titandioxid ist aber auch in Kunststoffen, Sonnenschutzmitteln oder den Überzügen von Dragees enthalten als zugelassener Lebensmittelfarbstoff, ergänzt Neumann. Weltweit werden jährlich etwa sieben Millionen Tonnen produziert.

Als Photokatalysator kann Titandioxid – fein gemahlen zu Granulat – Baustoffen beigemischt werden, entweder bei der Herstellung oder auch nachträglich. Einarbeiten lässt es sich unter anderem in den Putz von Hausfassaden, in Dachziegel und vor allem in den Belag von Straßen, Gehwegen und Plätzen, etwa in Pflastersteine oder Beton. Weil die Partikel so fein sind, werden diese Flächen nicht weiß – deshalb lassen sich auch Kunststoffe und Glas damit beschichten, also auch Fensterscheiben oder Straßenleuchten. Neben ihrer Fähigkeit, Stickstoffdioxid schnell in Nitrat umzuwandeln, besitzen photokatalytisch aktive Materialien auch selbstreinigende Eigenschaften, so werden zum Beispiel organische Verschmutzungen abgebaut.

Speziell für innen wurden außerdem Katalysatoren entwickelt, die nicht nur unter Sonnenlicht, sondern auch unter künstlichen Lichtquellen wirksam sind; in Räumen können sie Kochgerüche und Zigarettenqualm mindern.

Die photokatalytisch aktiven Baustoffe entfalten ihre Wirkung allerdings nur in unmittelbarer Umgebung, mit wachsender Distanz lässt die „Reinigungskraft“ schnell nach. „Der Effekt ist lokal begrenzt, je nach Fläche auf 100 bis 500 Meter, auch die jeweiligen Ozonkonzentrationen und Windverhältnisse spielen eine Rolle“, erklärt Neumann. Wie stark die Wirkung ist, lässt sich bislang in Zahlen nur schwer beziffern, bislang gibt es nur wenige Feldstudien.

So wird die Photokatalyse in einer Pilotstudie auf der A1 bei Osnabrück getestet. Dort hat man eine Lärmschutzwand abwechselnd mit einem Titandioxid-haltigen Anstrich und herkömmlichem Material ausgestattet. „Erstmals konnte damit eine Reduktion im Feld nachgewiesen werden“, sagt Neumann – auch wenn sich die erzielte Minderung von zwei Prozent nicht gerade hoch anhört. Das Ergebnis belegt aber eben auch, dass es gerade in stark belasteten Gebieten mit Stückwerk nicht getan ist. „Die Autobahn ist eine so große Fläche, da reichen Abschnitte von wenigen Metern nicht aus“, erläutert der Fraunhofer-Forscher. Auch Frank Menzel sagt, gerade auf Straßen mit viel Verkehr wäre es sinnvoll, „einen großen Teil der Baustoffe in dieser Weise auszurüsten.“

Wie ist in diesem Zusammenhang zu bewerten, dass Titandioxid selbst negativ ins Gespräch gekommen ist – als möglicherweise krebserregend? Das Risikobewertungskomitee der Europäischen Chemikalienagentur ECHA schlug 2017 vor, Titandioxid als vermutlich krebserzeugend bei inhalativer Aufnahme einzustufen. Die Bundesregierung hat in einer Stellungnahme eine solche Einstufung abgelehnt. Eine Entscheidung der Europäischen Kommission wird in Kürze erwartet.

Der Hintergrund: Im Tierversuch mit Ratten führten sehr hohe Konzentrationen von Titandioxid-Nanopartikeln bei einer sogenannten „chronischen Überladung“ zu Lungentumoren. Manche Kritiker stellen die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Menschen in Frage.

Epidemiologische Studien würden seit Jahrzehnten „die sichere Anwendung“ bestätigen, sagt Frank Menzel. Ulrike Diebold, Professorin für Oberflächenwissenschaften am Institut für angewandte Physik der Technischen Universität Wien, vermutet, dass das Risiko eher von den winzigen Partikeln als vom Titandioxid selbst ausgeht. Auch andere Wissenschaftler gehen davon aus, dass der Effekt spezifisch für Staub im Allgemeinen ist. Auf jeden Fall „nicht relevant“ sei die Diskussion für fest eingebundenes Titandioxid, wie es laut Menzel bei Lacken oder auch Zahnpasta der Fall ist.

Doch angenommen, Titandioxid wäre als Staub tatsächlich krebserregend, welche Bedeutung hätte das dann für die Photokatalyse? Würde man dann nicht den Teufel mit dem Beelzebub austreiben? Als Beschichtung oder Bestandteil von Baustoffen wäre das Titandioxid im Material zwar fest gebunden. Durch Abrieb, etwa bei einer täglichen starken Beanspruchung im Straßenverkehr könnte theoretisch aber durchaus Staub entstehen, der auch winzige Titandioxidpartikel enthält. Genug, um ein Risiko darzustellen? Frank Menzel verneint und verweist auf eine „Vielzahl wissenschaftlicher Studien“. Er ist davon überzeugt, dass die Photokatalyse unbedenklich ist und Mensch wie Umwelt „Nutzen statt Schaden“ bringt.

Derzeit ist eine breite öffentliche Diskussion um die Photokatalyse als Beitrag zur Reduzierung des Stickstoffdioxidgehalts der Luft allerdings noch weit entfernt. Um eine weithin messbare Wirkung zu entfalten, müssten Bund, Länder und Städte bei der Sanierung oder Neuerschließung von Flächen in großem Stil auf entsprechende Baumaterialien setzen. Das ist derzeit zumindest in Deutschland noch nicht abzusehen. Bislang gibt es nur wenige öffentliche Projekte, bei denen Baustoffe mit Titandioxid zum Einsatz kamen. So wurde beim Bau eines Busbahnhofs in Dortmund photokatalytisch aktiver Beton verwendet, in Niestetal bei Kassel stattete man ein Gewerbegebiet damit aus, in Fulda wurden photokatalytisch wirksame Pflastersteine in Straßen verlegt.

Im besonders hygienebewussten Japan und in China mit seinen massiven Luftproblemen hingegen spiele die Photokatalyse bei Bauprojekten bereits eine große Rolle, erklärt Menzel. In Deutschland hingegen behindere auch die Praxis, bei öffentlichen Ausschreibungen möglichst das günstigste Angebot nehmen zu müssen, die Entwicklung. „Photokatalytische Baustoffe einzusetzen, müsste ein Entscheidungskriterium sein“, sagt der Wissenschaftler, „und es müsste auch die Bereitschaft geben, dafür mehr Geld auszugeben. Doch bislang hat die Politik in Deutschland das Thema nicht wirklich auf dem Schirm.“

Stickstoffdioxid

In einer hohen Dosis ist Stickstoffdioxid akut toxisch, in der Europäischen Union gilt, dass man einem Spitzenwert von 200 Mikrogramm pro Kubikmeter Luft nicht häufiger als 18 Mal im Jahr ausgesetzt sein sollte.

Beim Durchschnittswert über das ganze Jahr gesehen – also von der Annahme ausgehend, dass man das Gas jeden Tag einatmet – liegt die Schwelle bei 40 Mikrogramm pro Kubikmeter. Der Bürogrenzwert beträgt 60 Mikrogramm. pam

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