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Umweltfreundliche Katalysator-Synthese Heißes Wasser statt toxischer Lösungsmittel

Quelle: Pressemitteilung

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In der Chemie braucht es nicht immer toxische und umweltschädliche Lösungsmittel. Manche komplexe Reaktion lässt sich auch einfach in heißem Wasser unter Druck durchführen. So haben Forscher der Universität Konstanz erstmals in einem Vorgang organische und anorganische Substanzen mittels Hydrothermalsynthese hergestellt.

Heißes Wasser entweicht mit hohem Druck aus einem Geysir. Die hydrothermalen Bedingungen in unterirdischen Wasserkammern erlauben besondere chemische Reaktionen, die sonst nur mit schädlichen Lösemitteln im Labor gelängen.
Heißes Wasser entweicht mit hohem Druck aus einem Geysir. Die hydrothermalen Bedingungen in unterirdischen Wasserkammern erlauben besondere chemische Reaktionen, die sonst nur mit schädlichen Lösemitteln im Labor gelängen.
(Bild: Tomasz Zajda - stock.adobe.com )

Konstanz – Bei der Herstellung chemischer Substanzen werden normalerweise umweltschädliche Lösungsmittel verwendet. Doch es geht auch anders, wie eine Arbeitsgruppe der Universität Konstanz gezeigt hat: Den Forschern ist es gelungen, erstmals organische Stoffe schadstofffrei durch das Erhitzen in heißem Wasser herzustellen.

Nun sind sie mit dieser so genannten Hydrothermalsynthese noch einen Schritt weiter gekommen und haben im selben Reaktionsgefäß gemeinsam organische und anorganische Stoffe gebildet und miteinander verbunden. Konkret hat das Team einen anorganischen Festkörper hergestellt, der organische Farbmoleküle umschließt. Das hybride Material funktioniert bei Lichteinfluss wie ein Katalysator, der als Festkörper mehrfach einsetzbar ist. Als Energiequelle reicht dem Katalysator Licht, sodass er chemische Reaktionen umweltfreundlich antreibt.

Wasser, Wärme und Druck

Die Hydrothermalsynthese – also das Herstellen von Materialien unter Druck in heißem Wasser – ist der Natur abgeschaut: In unterirdischen Heißwasserseen beispielsweise bilden sich Bergkristalle, indem die im heißen Wasser gelösten Atome miteinander reagieren, erst Moleküle und dann Kristalle bilden. Auf dieselbe Weise lassen sich in der synthetischen Chemie anorganische, und auch organische Moleküle ohne toxische Lösungsmittel herstellen (s. Literaturhinweis unten).

Ein Festkörper als Lösung

Die aktuellen Ergebnisse bilden eine umweltfreundliche Synergie beider Verfahren. „In unserer Arbeit zeigen wir, dass es möglich ist, auf diese Weise gleichzeitig anorganische und organische Stoffe zu bilden, und dass auch etwas Sinnvolles dabei herauskommt“, sagt Prof. Dr. Miriam Unterlass, die im Bereich Festkörperchemie an der Universität Konstanz arbeitet.

Dass die Herstellung des Hybridmaterials völlig ohne toxische Lösungsmittel auskommt, ist umso bemerkenswerter, als die Arbeitsgruppe der Chemikerin mit Farbmolekülen arbeitet, zu deren Synthese normalerweise hochgiftige Chemikalien gebraucht werden. Der Kern der neuen Substanz, die in heißem Wasser entstanden ist, wird von Farbstoffmolekülen gebildet, die als Lösung vorliegen, während das sie umgebende Material die Eigenschaften eines Festkörpers hat. Das Resultat ist ein Festkörper, der sich in puncto optischer Eigenschaften auch wie eine Lösung verhält. Der Vorteil dieser eigenartigen Kombination aus Lösung und Festkörper ist, dass das Material immer wieder als Katalysator eingesetzt werden kann und nicht nach Gebrauch entsorgt werden muss, wie es bei einer klassischen Lösung der Fall wäre.

Umweltfreundliche Katalyse

Farbstoffe haben als Lösungen spezifische Eigenschaften. Die von der Arbeitsgruppe von Unterlass verwendeten Farbmoleküle sind in der Lage, Licht zu absorbieren und damit Reaktionen zu katalysieren. Dieser Prozess ähnelt der Photosynthese bei Pflanzen, wo es ebenfalls die Farbstoffe sind, die das Licht und damit di für die Reaktionen nötige Energie absorbieren.

Die Forscher zielen mit der Anwendung des Katalysators konkret auf kleine organische Moleküle, die bei Medikamenten eine Rolle spielen. Grundsätzlich ist die Methode aber für jegliche chemische Reaktion und damit die Herstellung jeglicher synthetischen Produkte relevant. Und während für die Synthese des hybriden Materials noch Wasser erhitzt werden muss, kommt der katalytische Effekt durch Lichtenergie völlig ohne Ressourcenverbrauch aus. „Licht ist die allerbeste Ressource, die wir haben. Licht kann nicht verbraucht werden“, sagt Unterlass.

Originalpublikation: Hipassia M. Moura, Herwig Peterlik and Miriam M. Unterlass Green hydrothermal synthesis yields perylenebisimide–SiO2 hybrid materials with solution-like fluorescence and photoredox activity, Journal of Materials Chemistry A, Band 24, Jahrgang 2022; DOI: 10.1039/D1TA03214C

Literaturhinweis: Marianne Lahnsteiner, Michael Caldera, Hipassia M. Moura, D. Alonso Cerrón-Infantes, Jérôme Roeser, Thomas Konegger, Arne Thomas, Jörg Menche and Miriam M. Unterlass Hydrothermal polymerization of porous aromatic polyimide networks and machine learning-assisted computational morphology evolution interpretation, Journal of Materials Chemistry A, Issue 35, 2021; DOI: 10.1039/D1TA01253C

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