Organik und Anorganik kombiniert Ein-Topf-Synthese liefert neues Elektrodenmaterial

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Mit „Chemie nach Art des Eintopfs“ haben Forscher der Uni Konstanz es geschafft, sehr unterschiedliche Reaktionsbedingungen miteinander zu vereinbaren. Herausgekommen ist einen neue Materialklasse, die vielversprechend für den Einsatz in Batterien ist.

Wie lassen sich sehr unterschiedliche Stoffe in einem gemeinsamen Reaktionsansatz zu einer neuen Materialklasse zu vereinen? Chemiker der Universität Konstanz schildern, wie sie eine sehr ungewöhnliche Reaktion möglich gemacht haben.

Organische Stoffe stehen für hohe Funktionsvielfalt, während anorganische Stoffe sehr stabil sind. Das Bestreben in der Forschung ist, die Vorteile solcher gegensätzlicher Stoffe zusammenzubringen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Allerdings benötigen organische und anorganische Stoffe sehr unterschiedliche Reaktionsbedingungen. Sie lassen sich nicht einfach in einem gemeinsamen Reaktionsansatz zusammenbringen. Bisher jedenfalls. Denn die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Miriam Unterlass von der Universität Konstanz hat ein Verfahren entwickelt, das genau dies leisten kann: eine „Eintopfsynthese“, wie die Chemiker das Verfahren nennen, oder besser gesagt eine „Ein-Topf-Synthese“.

„Ein-Topf-Synthese“ bedeutet genau das, was man sich unter dem Namen vorstellt: Die sehr unterschiedlichen Reagenzien werden nicht getrennt behandelt, sondern alle in einem gemeinsamen Gefäß zusammengebracht. Wichtig ist dabei, dass die Reaktionen der unterschiedlichen Stoffklassen zum selben Zeitpunkt und synergetisch stattfinden. Damit das funktionieren kann, muss die Balance zwischen den grundverschiedenen Reaktionsbedingungen gefunden werden. Das erfordert viel Laborarbeit, doch wie die Konstanzer Chemiker zeigen, kann es mit dem „richtigen Rezept“ gelingen.

Organische Lösungsmittel adé

Lichtgetriebene Synthese auf der Wasseroberfläche

Der richtige Garpunkt: ein Kompromiss

„Die Schönheit unseres Ansatzes liegt in seiner Einfachheit“, sagt Frank Sailer, der die Ein-Topf-Synthese in seiner Doktorarbeit maßgeblich mitentwickelte. „Wie bei einem Eintopf muss man den richtigen Garpunkt finden, sodass die Linsen noch nicht zerfallen sind, aber die Kartoffeln schon durch sind.“ Übertragen auf chemische Reaktionen bedeutet dies: Man benötigt das richtige Verhältnis aus Druck, Temperatur und Zeit. Und die richtigen Ingredienzien. „Wir brauchen keine toxischen Katalysatoren oder Lösungsmittel“, nennt Sailer Vorteile des Verfahrens – es ist somit nachhaltig und umweltschonend. Als Lösungsmittel kommt nur reines Isopropanol zum Einsatz, das unschädlich und in großen Mengen verfügbar ist. Die Hauptzutat der neuen Materialklasse sind spezielle Farbstoff-Moleküle (Pigmente) und geschichtetes Titandioxid.

Wenn es so einfach ist, warum wurde das neue Reaktionsverfahren nicht schön längst entdeckt? „Weil der Gedanke sehr ungewöhnlich ist. Die organischen Komponenten werden normalerweise nicht unter solchen Bedingungen synthetisiert“, erklärt Sailer. Solche Reaktionswege herauszufinden ist ein erklärtes Ziel der Arbeitsgruppe von Gruppenleiterin Unterlass: Dort ergründen die Forscher, wie chemische Syntheseverfahren durch die Wahl der richtigen Rahmenbedingungen optimiert werden können und zu besseren, nachhaltigeren Ergebnissen führen. „Wir stellen bessere Materialien auf schnellere und umweltfreundlichere Weise her“, fasst Unterlass zusammen.

Neue Materialklasse für Elektroden in Lithium-Ionen-Akkus

Mit dem neuen Reaktionsverfahren haben die Wissenschaftler die Vorteile von organischer und anorganischer Chemie verbunden. „Wir wollen aber nicht nur eine Summe der Eigenschaften, sondern eine synergetische Wechselwirkung – neue Eigenschaften, die die beiden Ausgangsmaterialien nicht aufweisen“, stellt Sailer klar. Die aus der Eintopfsynthese hervorgegangene neue Materialklasse namens Pigmente@TiO₂ ist aufgrund ihrer Schichtstruktur prädestiniert für Batterien. Laut den Forschern eignet sie sich als Elektrodenmaterial in Lithium-Ionen-Akkus.

Originalpublikation: Frank Sailer, Hipassia M. Moura, Taniya Purkait, Lars Vogelsang, Markus Sauer, Annette Foelske, Rainer Winter, Alexandre Ponrouch, and Miriam M. Unterlass: Covalently Linked Pigment@TiO2 Hybrid Materials by One-Pot Solvothermal Synthesis, Small Structures, 2024; DOI: 10.1002/sstr.202400074

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