Chemie 13. Jun 2022 Von Bettina Reckter

Solargetriebene Katalysatoren für eine nachhaltigere Chemieindustrie

Die Entwicklung von Photokatalysatoren ist einen entscheidenden Schritt vorangekommen. Der Vorteil: Für eine Umstellung der Prozesstechnik auf sonnenlichtbasierte Verfahren braucht es keine großen Investitionen.

Die Entwicklung solargetriebener Katalysatoren ist jetzt einen entscheidenden Schritt vorangekommen.
Foto: panthermedia.net/Olivier Le Queinec

Katalysatoren mischen in der Chemie fast überall mit: Sie beschleunigen die chemische Reaktion oder bringen sie überhaupt erst in Gang, indem sie die sogenannte Aktivierungsenergie senken. Etwa 80 % aller Chemieerzeugnisse entstehen in einem solchen katalytischen Prozess. Meist werden thermische Katalysatoren verwendet, deren Einsatz an den Verbrauch fossiler Energien gekoppelt ist. Doch es funktioniert auch unter Ausnutzung von Sonnenlicht.

Das haben jetzt Forscherinnen und Forscher der Universitäten Ulm und Jena zeigen können. Sie haben einen sonnenlichtgetriebenen Photokatalysator so optimiert, dass er schneller und effizienter als konventionelle Katalysatoren arbeitet. „Diese Entwicklung stößt das Tor zu einer nachhaltigen solaren Zukunft der chemischen Industrie auf“, ist Sven Rau, Leiter des Instituts für Anorganische Chemie I an der Universität Ulm, überzeugt.

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Katalysatoren beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit

Rau hat zusammen mit seinem Kollegen Benjamin Dietzek-Ivanšić von der Universität Jena eine Studie zur Leistungsfähigkeit von Photokatalysatoren koordiniert. „Wir konnten zeigen, dass das Design des Katalysators eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit der ablaufenden Lichtreaktion spielt – aber nicht für die thermische Reaktion“, erklärt Dietzek-Ivanšić, der am Institut für Physikalische Chemie der Uni Jena forscht und im Leibniz-Institut für Photonische Technologien die Forschungsabteilung Funktionale Grenzflächen leitet.

Die Katalysatorforscher Sven Rau und Benjamin Dietzek-Ivanšić (v.l.).
Foto: Elvira Eberhardt/Uni Ulm, Sven Döring/Leibniz-IPH

Aus drei chemisch aktiven Bauteilen ist der Photokatalysator aufgebaut: aus einem Zentrum für die Aufnahme der Lichtenergie, einer Brücke und einem Katalysezentrum. „Erstaunlicherweise stellte sich in den Experimenten heraus, dass insbesondere der Aufbau der Brücke einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz des Katalysators hat“, bestätigen die Erstautoren der Untersuchung Linda Zedler von der Uni Jena und Pascal Wintergerst von der Uni Ulm. Mithilfe chemischer Synthesen, katalytischer Untersuchungen und ultraschneller Spektroskopie konnte das Forschungsteam die ablaufenden Prozesse im Detail aufklären. Demnach erzeugen die lichtgetriebenen Photokatalysatoren aus energiearmen Ausgangsstoffen energiereiche, qualitativ hochwertige Reaktionsprodukte.

Nachweis an biotechnologisch bedeutendem Beispiel

Mithilfe der neuen Katalysatoren gelang den Chemikerinnen und Chemikern die Wasserstoffanlagerung an Nikotinamid. Dabei entsteht ein energiereiches Molekül mit umfassenden Einsatzmöglichkeiten. Das Nikotinamid ist zentraler Bestandteil von Nikotinamidadenindinukleotid, einem Coenzym, das im Stoffwechsel lebender Zellen mitwirkt. Die photokatalytisch vermittelte Wasserstoffanlagerung von Nikotinamid sei ein sichtbarer Beleg, dass sich solare Chemie und biotechnologische Anwendungen bestens koppeln lassen, so die Forscher.

Azula-Photoreaktor mit Photokatalysatoren (rote Lösung), die mit blauem LED-Licht kontrolliert bestrahlt werden:
Foto: Elvira Eberhardt/Universität Ulm

Mit den Bauplänen für zukünftige solargetriebene Katalysatoren liefert das Forschungsteam die Voraussetzung dafür, wie sich die Energie des Sonnenlichtes effizient in chemische Bindungsenergie umwandeln und speichern lässt. „Grundsätzlich hat das Forschungsprojekt aber eben auch gezeigt, dass sich katalytische Prozesse mithilfe optimierter Photokatalysatoren auf eine solare Grundlage stellen lassen – und zwar mit einem Gewinn an katalytischer Effizienz“, versichern die Forschenden.

Großinvestitionen in der chemischen Industrie sind dafür nicht nötig. Denn Stoffströme könnten beibehalten werden, und die technologische Basis der chemischen Prozesstechnik ließe sich ohne Probleme weiternutzen. Dies wäre ein wegweisender Schritt für die Chemieindustrie, um nachhaltiger zu werden und unabhängiger von fossilen Brennstoffen.

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