Producing photocatalytic titania surfaces with direct laser interference patterning (DLIP)

Abstract

This work investigates a novel approach to produce photocatalytic surfaces via ultrashort pulsed direct laser interference patterning of titanium. The interference pattern caused by two laser pulses results in a periodic intensity distribution that leads to localized ablation on the μm scale. This ablation leads to the creation of complex surface geometries, surface oxidation and redeposition of titanium oxides. Using this approach, surfaces with varying phase composition and topography are produced aiming to achieve high photocatalytic activity. Based on the analysis of the resulting surfaces and their formation mechanism, it was concluded that heat treatments during and after the patterning could further increase the photocatalytic activities of the resulting surfaces. Finally, promising pattern parameters are used to produce a prototype to demonstrate the approach's feasibility for water treatment. To simulate the removal of pollutants from water, 1.5 litres of an organic dye solution (methylene blue) were treated in a reactor built with off-the-shelf materials. It could be shown that the prototype achieves degradation rates similar to the lab setup when accounting for active surface area and UV irradiance. This shows that DLIP poses a viable alternative to existing approaches for the creation of photocatalytic surfaces and could be used for water purification, self-cleaning and antifouling surfaces and possibly antimicrobial implants.

Diese Arbeit untersucht die Herstellung photocatalytischer Oberflächen mittels ultrakurz gepulster direkter Laserinterferenzstrukturierung von Titan. Das bei DLIP erzeugte Interferenzmuster führt zu lokaler Ablation im μm-Bereich bewirkt und damit zur Entstehung komplexer Oberflächengeometrien, zur Oxidation und zur Rückablagerung von Titanoxiden. Dadurch werden Oberflächen mit unterschiedlicher Phasen-zusammensetzung und Topographie erzeugt, um eine hohe photocatalytische Aktivität zu erzielen. Basierend auf der Analyse der resultierenden Oberflächen und ihres Entstehungsmechanismus wurde untersucht, ob Wärmebehandlungen während und nach der Strukturierung die photocatalytische Aktivität der resultierenden Oberflächen weiter steigern können. Schließlich wurden vielversprechende Parameter genutzt, um einen Prototyp zur Demonstration für die Wasseraufbereitung herzustellen. Dazu wurden 1,5 Liter einer organischen Farbstofflösung (Methylenblau) in einem Reaktor behandelt, der aus handelsüblichen Materialien gebaut wurde. Es konnte gezeigt werden, dass der Prototyp Abbauraten erzielt, die - normiert auf die aktive Oberfläche und die UV-Bestrahlung - mit denen im Labor vergleichbar sind. Dies zeigt, dass DLIP eine vielversprechende Alternative zu bestehenden Verfahren zur Herstellung photocatalytischer Oberflächen darstellt und für die Wasseraufbereitung, selbstreinigende und Antifouling-Oberflächen sowie möglicherweise für antimikrobielle Implantate eingesetzt werden könnte.