Licht- und Mahlkugeln für umweltfreundlichere chemische Prozesse

Lichtgetriebene chemische Reaktionen wurden üblicherweise mit großen Mengen an Lösungsmitteln durchgeführt, die oft toxisch sind. Durch die Kombination mit mechanischer Energie in Kugelmühlen ist es dem Team um Professor Lars Borchardt vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie I der Ruhr-Universität Bochum gelungen, sie ohne großen Einsatz von Lösungsmitteln im Festkörper durchzuführen.

„Damit bieten wir eine nachhaltige Alternative zu etablierten Synthesemethoden“, sagt Borchardt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie am 24. Februar 2023.

Kugelmühlen zum Ersatz von Lösungsmitteln

Licht gilt als idealer Motor chemischer Reaktionen: Es ist billig, im Überfluss vorhanden und produziert keinen Abfall. Deshalb sind lichtgetriebene, also photochemische Reaktionen für die Herstellung chemischer Verbindungen hochattraktiv. Sie werden jedoch normalerweise in großen Mengen an Lösungsmitteln durchgeführt, die oft giftig sind und gefährliche Abfälle in enormen Mengen erzeugen. Eine Alternative könnten photochemische Festkörperreaktionen ohne Lösungsmittel darstellen. Sie waren bisher jedoch nicht realisierbar, da sie nur unzureichend gemischt werden konnten und daher nicht auf relevante Mengen skaliert werden konnten.

Damit photochemische Reaktionen stattfinden können, müssen zunächst Photonen die Ausgangsmaterialien erreichen. Damit die Reaktion schnell und vollständig ablaufen kann, muss das Material gründlich gemischt werden. Dafür sorgt bei herkömmlichen Reaktionen das Lösungsmittel: Es löst die Stoffe, macht sie mobil und erhöht den Stofftransport und die Diffusion. Bisher war im Festkörper kein äquivalentes Verfahren verfügbar.

Als Reaktoren nutzten die Bochumer Forscher Kugelmühlen. Dabei werden die Ausgangsstoffe zusammen mit Mahlkugeln in Gefäße gegeben und mit hoher Frequenz geschüttelt. Dabei entstehen hochenergetische Stöße, die die mechanische Energie für die Reaktion liefern und die Stoffe durchmischen. In einem speziell an die Mühle angepassten Photoreaktor gelang es den Forschern, den Kugelmahlprozess unter Bestrahlung durchzuführen. Dies erleichterte die photomechanochemische Synthese von Nanographenen im Festkörper.

„Mit diesem neuen Verfahren konnten wir gezielter reagieren und chemische Substanzen wesentlich nachhaltiger synthetisieren“, sagt Lars Borchardt.

„Wir haben die Reaktionszeiten um bis zu 56 % verkürzt und dabei 98 % weniger Lösungsmittel verbraucht als bei vergleichbaren Synthesen mit herkömmlichen Methoden. Nicht zuletzt verbraucht der neue Photoreaktor fast 80 % weniger Energie als herkömmliche Anlagen.“