Didaktische Erschließung von Titandioxid für den Chemieunterricht : Entwicklung und Optimierung von Experimenten, didaktischen Konzepten und Medien / von Diana Zeller, geb. in Frankfurt am Main. Wuppertal, 2019
Content
1. Einleitung
1.1 Thema und allgemeine Problemstellung
1.2 Motivation
1.3 Fragestellung und Einzelziele
1.4 Gliederung der vorliegenden Arbeit
2. Fachwissenschaftliche Grundlagen
2.1 Von der Lichtenergie zu der elektrischen Energie
2.1.1 Relevanz von Solarenergie für die Zukunft
2.1.2 Überblick über die Geschichte der Photovoltaik
2.1.3 Die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie
2.1.3.1 Energiestufenmodell zur Lichtabsorption
2.1.3.2 Das Bändermodell
2.1.3.3 Teilchenbewegungen in einem Halbleiter
2.1.4 Photovoltazellen
2.1.5 Photogalvanische Zellen
2.1.6 Photosensibilisierte Zellen
2.2 Eigenschaften von Titandioxid
2.2.1 Titandioxid – Allgemeine Informationen
2.2.2 Die Herstellung von Titandioxid-Partikeln
2.2.3 Die Remissionskurven von Anatas und Rutil
2.2.4 Titandioxid-Nanopartikel
2.2.5 Photokatalytische Eigenschaften14F
2.2.5.1 Photomineralisierung im wässrigen Medium
2.2.5.2 Photomineralisierung an der Luft
2.2.5.3 Innovative Oberflächen
2.2.6 Reflexion des sichtbaren Lichtspektrums
3. Didaktischer Kommentar
3.1 Warum curriculare Innovationsforschung?
3.2 Didaktischer Forschungsstand
3.3 Synopse von Curricula und Schulbüchern
3.3.1 Solarzellen und Photochemie in den Bildungsplänen
3.3.2 Thema Solarzellen in Chemie-Schulbüchern
3.3.3 Vorwissen der Schüler*innen zu Solarzellen
3.4 Didaktische Konzeption von ALSO-TiO2
3.4.1 Das Modul ALSO-TiO2
3.4.2 ALSO-TiO2: Aufbau, Inhalte und Ziele
3.4.2.1 Baustein 1 - Titandioxid: ein vielseitiger Halbleiter
3.4.2.2 Baustein 2 - Vom galvanischen Element zur 1-Topfzelle
3.4.2.3 Baustein 3 - Mit Früchten zum elektrischen Strom
3.4.3 Herausforderungen und didaktische Reduktionen
3.5. Didaktische Konzeption von „FACTiO2“
3.5.1 Das Modul FACTiO2
3.5.2 FACTiO2: Aufbau, Inhalte und Ziele
3.5.2.1 Baustein 1 – Absorption von UV-Licht
3.5.2.2 Baustein 2 – Die photokatalytischen Eigenschaften
3.5.2.3 Baustein 3 – Reflexion von sichtbarem Licht
3.5.3 Herausforderungen und didaktische Reduktion
3.5.4 Bezüge zu Kontexten und Lehrplan
3.6 Sicherheitsaspekte der vorgestellten Versuche
4. Versuchsergebnisse ALSO-TiO2
4.1 Messmethode
4.2 Verwendete Lichtquellen
4.3 Weiterentwicklung der Photoelektroden
4.3.1 Vermessung verschiedener Halbleiter
4.3.2 Herstellungsverfahren
4.3.3 Oberflächen-Untersuchungen der Titandioxid-Photoelektroden
4.4 Photosensibilisierung
4.4.1 Photosensibilisatoren für den Einsatz in der Schule
4.4.2 Eigene Untersuchungen und Ergebnisse
4.5 Untersuchungen weiterer Zellkomponenten in 1-Topfzelle und Kompaktzelle
4.6 Lochleiter und Graphen als Zellkomponenten
4.6.1 Lochleiter PEDOT:PSS
4.6.1.1 Struktur und Eigenschaften des Lochleiters PEDOT:PSS
4.6.1.2 PEDOT:PSS als Lochleiter
4.6.1.3 PEDOT:PSS als Gegenelektrode
4.6.2 Graphen
4.7 Transparente Solarzelle
5 Versuchsergebnisse FACTiO2
5.1. Baustein: UV-Absorption von Titandioxid
5.1.1 Umwandlung von UV- in IR-Strahlung betrachtet mit der Wärmebildkamera
5.1.2 Versuche zu UV-Blockern in Sonnenschutzprodukten
5.2. Baustein: Photokatalytische Eigenschaften
5.2.1 Degradation von Photosensibilisatoren
5.2.1.1 Degradation von Photosensibilisatoren in Gegenwart von Titandioxid
5.2.1.2 Degradation von Photosensibilisatoren auf Photoelektroden in photogalvanischen Zellen
5.2.2 Untersuchungen zum Demonstrationsexperiment: Photokatalyse von Methylenblau
5.2.3 Degradation von organischen Farbstoffen im wässrigen Medium
5.3. Baustein: Reflexion von sichtbarem Licht
6 Gestaltete Medien
6.1 Medieneinsatz im Chemieunterricht
6.1.1 Bildungspolitische Diskussionen zum Medieneinsatz
6.1.2 Aktueller Forschungsstand zum Medieneinsatz im naturwissenschaftlichen Unterricht
6.2 Didaktische Konzeption der Medien für das didaktische Kofferset
7. Schülerprojekt ALSO-TiO2
7.1 Ziele des Projekts
7.2 Projektdesign
7.3 Ausgewählte Ergebnisse
7.3.1 Ausgewählte Ergebnisse der Micro-Teaching-Teams: Laufzeit 2016/17
7.3.2 Ausgewählte Ergebnisse der Micro-Teaching-Teams: Laufzeit 2017/18
7.4 Evaluation des Schülerprojekts
8. Evaluation ausgewählter Inhalte des Koffers
8.1 Schülerlabortage
8.1.1 Einsatz im Regelunterricht
8.1.1.1 Beschreibung der Lerngruppe
8.1.1.2 Geplanter und tatsächlicher Ablauf des Labortags
8.1.1.3 Evaluation durch die Lehrkraft und anschließende Optimierungen
8.1.1.4 Evaluation durch die Schüler*innen und resultierende Optimierungen
8.1.2 Einsatz als Schülerlabortag
8.1.2.1 Beschreibung der Lerngruppe
8.1.2.2 Geplanter und tatsächlicher Ablauf des Labortags
8.1.2.3 Evaluation durch die Schüler und resultierende Optimierungen
8.1.3 Gesamtevaluation der Schülerlabortage
8.2 Lehrerfortbildungen
9. Das didaktische Kofferset „ChEM-TiO2“
10. Zusammenfassung und Fazit
11. Verzeichnisse
11.1 Abkürzungsverzeichnis
11.2 Verzeichnis der Abbildungen
11.3 Verzeichnis der Tabellen
11.4 Verzeichnis der Graphiken
11.5 Verzeichnis der Reaktionsgleichungen
12. Glossar
13. Literatur
Anhang
A Verwendete Materialien und Chemikalien
B Versuchsdurchführungen im Experimentalteil
Versuchsanleitungen Kap. 4.4 Photosensibilisierung
Versuchsanleitungen Kap. 4.5 Untersuchungen weiterer Zellkomponenten
Versuchsanleitungen Kap. 4.6 Transparente Solarzelle
C Verlaufspläne der Schülerlabortage
D Tabelle der gesichteten Schulbücher
E Publikationen
F Curriculum Vitae