Das Team verwendet heißes Wasser, um einen Photokatalysator zu bilden

Die Herstellung chemischer Stoffe erfordert normalerweise umweltbelastende Lösungsmittel. Nachdem die Forschungsgruppe von Miriam Unterlass, Professorin für Festkörperchemie an der Universität Konstanz, erstmals organische Substanzen schadstofffrei durch Erhitzen in heißem Wasser hergestellt hat, können die Forscher nun einen weiteren Erfolg verbuchen: Durch Hydrothermalsynthese können sie gelang die gemeinsame Bildung und Kombination organischer und anorganischer Substanzen im selben Reaktionsgefäß – konkret ein anorganischer Feststoff, der organische Farbstoffmoleküle umschließt. Unter Lichteinfluss, der mit Abstand umweltfreundlichsten Energiequelle, wirkt das Hybridmaterial wie ein Katalysator, also ein Photokatalysator. Da der Photokatalysator ein Feststoff ist, kann er mehrfach verwendet werden.

Die Studie wurde kürzlich von der online veröffentlicht Zeitschrift für Materialchemie A.

Die Hydrothermalsynthese, also die Herstellung von Stoffen unter Druck in heißem Wasser, ist der Natur nachempfunden. In unterirdischen Warmwasserreservoirs beispielsweise entstehen Bergkristalle, indem die im heißen Wasser gelösten Atome miteinander reagieren und erst Moleküle und dann Kristalle bilden. Auf die gleiche Weise lassen sich in der synthetischen Chemie anorganische Moleküle herstellen – und wie in einer Studie zum umweltfreundlichen Verfahren bei der Synthese organischer Substanzen aus dem Jahr 2021 von Miriam Unterlass beschrieben – auch organische Moleküle ohne giftige Lösungsmittel.

Umweltfreundliche Synergie beider Verfahren

Eine umweltfreundliche Synergie beider Methoden ergibt sich aus den aktuellen Ergebnissen, an denen Erstautorin Dr. Hipassia Moura, Postdoktorandin im Team von Miriam Unterlass, maßgeblich beteiligt ist. Miriam Unterlass sagt: „Wir zeigen in unserer Arbeit, dass es möglich ist, in ‚heißem Wasser‘ gleichzeitig anorganische und organische Stoffe zu bilden, und dabei etwas Nützliches entsteht.“

Dass das Hybridmaterial komplett ohne giftige Lösungsmittel hergestellt werden kann, ist umso bemerkenswerter, als das Forschungsteam des Chemikers mit Farbstoffmolekülen arbeitet, für deren Synthese normalerweise hochgiftige Chemikalien benötigt werden. Den Kern der in heißem Wasser entstandenen neuen Substanz bilden Farbstoffmoleküle, die als Lösung vorliegen, während das sie umgebende Material die Eigenschaften eines Festkörpers hat. Das Ergebnis ist ein Feststoff, der sich hinsichtlich der optischen Eigenschaften wie eine Lösung verhält.

Wiederverwendbarer Katalysator

Farbstoffe als Lösungen haben ganz spezifische Eigenschaften. Die Farbstoffmoleküle, die das Forschungsteam von Miriam Unterlass verwendet, sind in der Lage, Licht zu absorbieren und so Reaktionen zu katalysieren. Dieser Prozess ähnelt der Photosynthese in Pflanzen, wo es auch Pigmente sind, die das für die Photosynthese benötigte Licht absorbieren. Im Gegensatz zu einer Lösung, die nach Gebrauch entsorgt werden muss, hat das Hybridmaterial den zusätzlichen Vorteil, dass es immer wieder als Katalysator verwendet werden kann, da es von außen wie ein Feststoff ist.

Konkrete Anwendungsziele des Forschungsteams sind kleine organische Moleküle, die in Pharmazeutika eine Rolle spielen. Grundsätzlich ist das Verfahren aber für verschiedene chemische Reaktionen und damit die Herstellung unzähliger synthetischer Produkte relevant. Und während für die Synthese des Hybridmaterials noch Wasser erhitzt werden muss, wird für die katalytische Wirkung lediglich Lichtenergie benötigt. „Licht ist die beste Ressource, die wir haben. Licht kann nicht verbraucht werden“, sagt Miriam Unterlass.