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Photokatalyse

Die Sonne im Gepäck: Photochemie im Turbo-Modus

| Autor / Redakteur: Alexander M. Nauth und Prof. Dr. Till Opatz* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Schema: Schnelle Photoreaktionen durch Kombination eines Kapillar-Flussreaktors mit Sonnenlicht als Energiequelle (Ausschnitt)
Abb. 1: Schema: Schnelle Photoreaktionen durch Kombination eines Kapillar-Flussreaktors mit Sonnenlicht als Energiequelle (Ausschnitt) (Bild: Inst. f. Organische Chemie, Universität Mainz)

Die Photokatalyse erfreut sich seit einigen Jahren einer stetig wachsenden Beliebtheit. Die Kombination eines Kapillar- Flussreaktors mit durch Sonnenlicht getriebenen Reaktionen ermöglicht chemische Umwandlungen in hoher Geschwindigkeit. Die Bauteile für einen solchen Kapillarreaktor sind zudem sehr günstig und er kann einfach gebaut werden.

Chemische Reaktionen werden oft durch das Vermischen von verschiedenen Ausgangsmaterialien in einem großen industriellen Rührreaktor oder aber in einem kleinen Glaskolben im Labormaßstab durchgeführt. Die meisten Reaktionen haben eine Energiebarriere, die zuerst überwunden werden muss, um den Prozess in Gang zu bringen. Diese Aktivierungsenergie kann dem Reaktionsgemisch in Form von Wärme zugeführt oder aber durch den Zusatz von Katalysatoren verringert werden, sodass man mit geringerem Energieaufwand zum Ziel kommt. Reaktionen laufen aber auch dann nur freiwillig ab, wenn sie Produkte mit insgesamt niedrigerem Energieinhalt bilden, thermodynamisch geht es also stets bergab.

Alternative Reaktionsabläufe durch Photoreaktionen

Die Photosynthese zeigt jedoch, dass es auch ganz andere Lösungen gibt: In grünen Pflanzen werden durch komplexe Prozesse unter Verwendung von Lichtenergie aus energiearmen Substanzen wie Kohlendioxid und Wasser energiereiche Kohlenhydrate wie Glucose und Stärke erzeugt. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Chlorophyll, mit dessen Hilfe die Energie des Lichtes in chemische Energie umgewandelt wird.

Zwar ist man derzeit noch weit davon entfernt, einen auch nur annähernd so komplexen Prozess am Reißbrett entwerfen und in die Realität umsetzen zu können, aber die Nutzung von Licht als Energiequelle für chemische Reaktionen ist schon seit über einem Jahrhundert bekannt. Wenn es gelingt, Reaktionen entweder direkt durch Lichteinstrahlung in die gewünschte Richtung zu treiben oder aber Energiebarrieren durch die Einwirkung von Licht zu minimieren, kann dies eine Reihe ökologischer und ökonomischer Vorteile bieten. Nicht zuletzt deshalb erfreut sich die Photochemie in den vergangenen Jahren einer stetig wachsenden Beliebtheit.

Die Nutzung von Licht zur Erleichterung von Reaktionen

Für eine Anregung durch Licht muss ein Ausgangsstoff in der Lage sein, die entsprechenden Lichtquanten bzw. Photonen zu absorbieren. Für die meisten organischen Moleküle – sofern sie nicht farbig sind – ist hierfür allerdings hochenergetisches (kurzwelliges) UV-Licht notwendig, da sie sichtbares Licht ungehindert passieren lassen. Kurzwelliges UV-Licht muss in der Regel mit speziellen Quecksilberdampflampen erzeugt werden und kann aufgrund seiner hohen Energie auch zu ungewollten Nebenreaktionen führen. Der Einsatz bestimmter Photokatalysatoren, die die absorbierte Strahlungsenergie in gezielter Weise auf die Ausgangsmaterialien für chemische Reaktionen übertragen, ermöglicht hingegen auch die Nutzung von sichtbarem Licht und kann die Bildung unerwünschter Nebenprodukte reduzieren oder ganz unterdrücken.

Als Photokatalysatoren werden heute meist Metallkomplexe, organische Farbstoffe oder aber unlösliche anorganische Partikel genutzt. Dabei werden die Ausgangsmaterialien und der Photokatalysator in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst bzw. dispergiert und mit einer Lichtquelle wie einer Gasentladungslampe oder einer LED bestrahlt. Für die Geschwindigkeit der Reaktion ist dabei entscheidend, wie viele Photonen für den Katalysator zur Verfügung stehen und wie gut dieser sie für die chemische Umwandlung nutzbar machen kann. Das Lambert-Beer’sche Gesetz beschreibt die Absorption von Photonen einer Wellenlänge in einer Lösung und setzt diese in Relation zu der spezifischen Absorptionsfähigkeit des Katalysators, dessen Konzentration und der Strecke, die ein Lichtstrahl in der Lösung zurücklegen muss. Ist diese Wegstrecke zu lang, gelangt kein nutzbares Licht mehr in den entsprechenden Bereich des Reaktionsgefäßes, man spricht in diesem Fall von Totalabsorption.

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Kapillarreaktoren – Photo-Chemie im Turbo-Modus

Um diese Totalabsorption zu verhindern und die verfügbare Lichtstärke möglichst effizient umzuwandeln, muss das Reaktionsgemisch also eher in einer dünnen Schicht als in einem voluminösen Gefäß platziert werden, dessen Inneres nicht mehr von der Strahlung erreicht wird. Da die Reaktion aber im gesamten Volumen der Lösung ablaufen soll, kann ein so genannter Kapillar-Flussreaktor zum Einsatz kommen, in dem das Reaktionsgemisch durch eine dünne, transparente Kapillare gepumpt und in dieser homogen bestrahlt wird. Durch die Länge der Kapillare oder die Pumpgeschwindigkeit lässt sich hierbei eine Reaktion zur Erreichung einer maximalen Ausbeute optimieren. Als nahezu unerschöpfliche und nachhaltige Quelle von sichtbarem Licht und den längerwelligen Anteilen der UV-Strahlung bietet sich die Sonne an. Zwar wurden bereits mit Sonnenlicht betriebene Flussreaktoren gebaut, diese sind aber meist sehr große Apparaturen, die die Reaktionslösung zyklisch immer wieder durch dicke Röhren pumpen, auf die durch Spiegel das Sonnenlicht fokussiert wird. Die Bestrahlungszeiten in diesen Reaktoren sind jedoch relativ lang und der Tag-/Nacht-Wechsel sowie Wolken beeinflussen das Reaktionsverhalten trotz der großen Energiedichte des Sonnenlichtes negativ.

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