Dreimal effizienter durch Licht: Potsdamer Forscher entwickeln neuen Katalysator für grüne Chemie

Forschenden am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm ist gemeinsam mit internationalen Partnern ein bedeutender Fortschritt bei der umweltfreundlichen Herstellung von Wasserstoffperoxid gelungen. Sie entwickelten einen neuartigen Fotokatalysator, der unter den untersuchten Bedingungen dreimal so viel Wasserstoffperoxid erzeugt wie ein herkömmlich hergestelltes Vergleichsmaterial. Der entscheidende Unterschied liegt nicht in den verwendeten chemischen Bestandteilen, sondern in ihrer gezielten räumlichen Anordnung. Die Ergebnisse wurden in der internationalen Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht und könnten langfristig dazu beitragen, die chemische Industrie energieeffizienter zu machen.

Potsdamer Wissenschaftler verbessern chemische Produktion mit Licht

Wasserstoffperoxid gehört zu den vielseitigsten Chemikalien der modernen Industrie.

Es wird unter anderem als Desinfektionsmittel, zur Behandlung von Abwasser und bei verschiedenen chemischen Produktionsprozessen eingesetzt.

Der Stoff besitzt eine besondere Eigenschaft: Bei seinem Zerfall entstehen Wasser und Sauerstoff.

Deshalb gilt Wasserstoffperoxid bei geeigneter Anwendung als vergleichsweise umweltfreundliches Oxidationsmittel.

Die industrielle Herstellung ist allerdings deutlich weniger umweltschonend als die spätere Verwendung vermuten lässt.

Bislang wird der überwiegende Teil des weltweit benötigten Wasserstoffperoxids über das sogenannte Anthrachinon-Verfahren hergestellt.

Dieses etablierte Produktionsverfahren benötigt Energie, technische Infrastruktur und verschiedene chemische Prozessschritte.

Dadurch entstehen Kosten und klimarelevante Emissionen.

Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Potsdamer Max-Planck-Instituts untersucht deshalb, wie sich Wasserstoffperoxid mithilfe von Licht effizienter herstellen lässt.

Licht soll die Energie für chemische Reaktionen liefern

Im Mittelpunkt steht die sogenannte Fotokatalyse.

Bei diesem Verfahren nimmt ein spezielles Material Lichtenergie auf und nutzt sie, um eine chemische Reaktion zu ermöglichen oder zu beschleunigen.

Solche Materialien werden Fotokatalysatoren genannt.

Die Idee besteht darin, Licht als Energiequelle für chemische Prozesse zu nutzen und dadurch den Bedarf an konventionell bereitgestellter Prozessenergie zu verringern.

Besonders interessant wäre langfristig eine Herstellung, bei der Sonnenlicht einen wesentlichen Teil der benötigten Energie liefert.

Damit könnten sich neue Möglichkeiten für dezentrale und ressourcenschonendere Produktionsverfahren ergeben.

Die praktische Umsetzung ist jedoch anspruchsvoll.

Denn nicht die gesamte aufgenommene Lichtenergie wird tatsächlich für die gewünschte chemische Reaktion genutzt.

Ein Teil der erzeugten elektrischen Ladungen geht verloren, bevor er zur Herstellung von Wasserstoffperoxid beitragen kann.

Genau an diesem Problem setzt die neue Forschungsarbeit an.

Nicht die Bestandteile, sondern ihre Anordnung macht den Unterschied

Die Potsdamer Forschungsgruppe „SunThesis“ unter Leitung von Dr. Christian Mark Pelicano verfolgt einen ungewöhnlichen Ansatz.

Statt die chemische Zusammensetzung eines Fotokatalysators grundsätzlich zu verändern, untersucht das Team, wie sich dessen innere Struktur optimieren lässt.

Entscheidend ist dabei die räumliche Anordnung elektrisch geladener Teilchen, sogenannter Ionen.

„Anstatt die chemische Zusammensetzung eines Fotokatalysators zu verändern, um ihn effizienter zu machen, haben wir versucht, die Anordnung der Bausteine zu verändern“, erklärt Pelicano.

Die Forschenden wollten herausfinden, ob sich die spätere Leistungsfähigkeit des Materials bereits während seiner Herstellung beeinflussen lässt.

Dafür verwendeten sie spezielle organisch-anorganische Hybridkristalle.

Diese besitzen eine vorgegebene Struktur, in der bestimmte Ionen bereits gezielt angeordnet sind.

Bei der anschließenden thermischen Umwandlung wird diese Struktur genutzt, um ein besonders leistungsfähiges Kohlenstoffnitrid herzustellen.

Neuer Katalysator trägt den Namen CALiK

Das entwickelte Material heißt CALiK.

Es handelt sich um ein kristallines Kohlenstoffnitrid aus der Gruppe der Polyheptazin-Imide, kurz PHI.

In seiner Struktur befinden sich Lithium- und Kaliumionen.

Besonders ist dabei, dass die Ionen nicht zufällig verteilt werden.

Ihre Position wird bereits durch die verwendeten Ausgangskristalle beeinflusst.

Bei herkömmlichen Herstellungsverfahren werden solche Ionen häufig über eine Salzschmelze in das Material eingebracht.

Dabei lässt sich ihre räumliche Verteilung nur begrenzt kontrollieren.

Die neue Methode ermöglicht dagegen eine gezieltere Strukturierung.

Pelicano erklärt, dass die verwendeten Kristalle bereits bekannt gewesen seien.

Neu sei jedoch ihre Nutzung als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Kohlenstoffnitride.

Das Team untersuchte deshalb, ob sich die vorgegebene Ionenanordnung auf das fertige Material übertragen lässt.

Dreimal so hohe Wasserstoffperoxid-Produktion

Die Ergebnisse der Laborversuche zeigen deutliche Unterschiede zwischen den untersuchten Katalysatoren.

Unter den getesteten Bedingungen produzierte CALiK etwa dreimal so viel Wasserstoffperoxid wie das herkömmlich hergestellte Vergleichsmaterial KPHI.

Auch gegenüber einem weiteren leistungsfähigen Material erzielte der neue Katalysator bessere Ergebnisse.

Im Vergleich zum untersuchten CALi-Material, das nur eine Kationenart enthält, lag die produzierte Menge rund 40 Prozent höher.

Bei Bestrahlung mit Licht einer Wellenlänge von 410 Nanometern erreichte CALiK eine scheinbare Quantenausbeute von 58 Prozent.

Damit erzielte es innerhalb der untersuchten Materialgruppe den höchsten Wert.

Die Kennzahl beschreibt, wie wirkungsvoll eingestrahltes Licht für die gewünschte chemische Reaktion genutzt wird.

Wichtig ist allerdings: Die im Labor gemessene höhere Produktionsleistung bedeutet noch nicht, dass ein industrielles Verfahren bereits dreimal so wirtschaftlich wäre.

Dafür müssten weitere technische und wirtschaftliche Faktoren untersucht werden.

Doktorandin Anna Lo Presti weist entscheidenden Effekt nach

Eine wichtige Rolle bei der Entwicklung spielte die Chemikerin Anna Lo Presti.

Sie promoviert am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und ist Erstautorin der veröffentlichten Studie.

Ihre Forschung zeigt, dass nicht allein die Art oder Menge der verwendeten Ionen ausschlaggebend ist.

Entscheidend kann auch ihre Position innerhalb des Kristallgitters sein.

„Wir konnten damit erstmals nachweisen, dass es nicht allein auf die Art oder Menge der Ionen ankommt, sondern auf ihre Position im Gitter“, erklärt Lo Presti.

Damit liefert die Studie einen neuen Ansatz für die gezielte Entwicklung leistungsfähiger Fotokatalysatoren.

Die Materialstruktur wird nicht erst nach der Herstellung verändert.

Stattdessen beginnt die Optimierung bereits bei der Auswahl und Anordnung der chemischen Ausgangsbausteine.

Warum das Material besser funktioniert

Um die höhere Leistung zu erklären, kombinierten die Wissenschaftler mehrere Untersuchungsmethoden.

Dazu gehörten strukturelle Analysen, spektroskopische Messungen und elektrochemische Untersuchungen.

Dabei zeigte sich, dass die durch Licht erzeugten elektrischen Ladungen im neuen Material besser voneinander getrennt werden.

Dadurch stehen sie länger für die Reaktion mit Sauerstoff zur Verfügung.

Zusätzliche Berechnungen deuten darauf hin, dass insbesondere die Anordnung der Lithiumionen die elektrische Umgebung des Materials verändert.

Dadurch könnte Sauerstoff leichter aktiviert werden.

Dieser Vorgang ist für die Herstellung von Wasserstoffperoxid von großer Bedeutung.

Allerdings weisen die Forschenden darauf hin, dass die Berechnungen auf vereinfachten Modellen beruhen.

Sie erklären deshalb noch nicht sämtliche Vorgänge innerhalb des tatsächlichen Materials.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die gezielte räumliche Anordnung der Ionen einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit haben kann.

Neue Möglichkeiten für die Abwasseraufbereitung

Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Wasserstoffperoxid ist die Behandlung von Abwasser.

Der Stoff wird unter anderem in chemischen Oxidationsprozessen eingesetzt, um bestimmte unerwünschte Substanzen abzubauen.

Auch bei der Desinfektion findet Wasserstoffperoxid Verwendung.

Steigt die Nachfrage nach entsprechenden Verfahren, wächst zugleich der Bedarf an dem chemischen Rohstoff.

Eine energieeffizientere Herstellung könnte deshalb für Unternehmen der Wasser- und Abwasserwirtschaft interessant werden.

Besonders vielversprechend wäre langfristig eine Produktion, die Wasserstoffperoxid dort bereitstellt, wo es benötigt wird.

Ob der Potsdamer Katalysator für eine solche Anwendung geeignet ist, muss allerdings noch untersucht werden.

Die veröffentlichte Studie belegt zunächst die verbesserte Leistungsfähigkeit unter definierten Laborbedingungen.

Kann die chemische Industrie dadurch klimafreundlicher werden?

Die Ergebnisse könnten über die Herstellung von Wasserstoffperoxid hinaus Bedeutung haben.

Viele chemische Produktionsprozesse benötigen hohe Temperaturen, elektrischen Strom oder aufwendig hergestellte Ausgangsstoffe.

Verfahren, die Lichtenergie unmittelbar für chemische Reaktionen nutzen, gelten deshalb als interessantes Forschungsfeld.

Allerdings hängt ihre tatsächliche Umweltbilanz von mehreren Faktoren ab.

Dazu gehören die Herstellung des Katalysators, seine Lebensdauer, der Verbrauch weiterer Rohstoffe und die Bedingungen des späteren Produktionsprozesses.

Auch die Frage, ob Sonnenlicht unter realistischen Betriebsbedingungen ausreichend effizient genutzt werden kann, ist entscheidend.

Eine vollständige industrielle Ökobilanz des neuen Materials liegt bislang nicht vor.

Es wäre deshalb verfrüht, bereits von einer klimaneutralen Herstellung von Wasserstoffperoxid zu sprechen.

Die Forschung zeigt jedoch einen möglichen Weg, die dafür benötigten Materialien leistungsfähiger zu gestalten.

Forschungsstandort Potsdam-Golm gewinnt international an Bedeutung

Die Entwicklung entstand im Rahmen eines internationalen Forschungsprojekts unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm.

Das Institut gehört zur Max-Planck-Gesellschaft und beschäftigt rund 400 Mitarbeitende in vier wissenschaftlichen Abteilungen.

Im Mittelpunkt seiner Arbeit stehen grundlegende Fragen zu molekularen und materiellen Systemen.

Die Forschenden untersuchen unter anderem, wie komplexe Strukturen aus einfachen Bausteinen entstehen und wie sich natürliche Prozesse technisch nutzen lassen.

Die Forschungsgruppe „SunThesis“ beschäftigt sich speziell mit lichtgetriebenen chemischen Reaktionen.

Christian Mark Pelicano leitet die Gruppe und arbeitet seit 2023 an diesem Forschungsgebiet.

Die aktuelle Veröffentlichung zeigt, wie Grundlagenforschung an Materialien neue Perspektiven für industrielle Anwendungen eröffnen kann.

Von der Laborentwicklung zur industriellen Anwendung

Bis das neue Verfahren in größerem Maßstab eingesetzt werden könnte, sind noch weitere Schritte erforderlich.

Zu klären ist beispielsweise, wie stabil CALiK über längere Betriebszeiten bleibt.

Auch muss untersucht werden, ob sich das Material kostengünstig und in größeren Mengen herstellen lässt.

Weitere Fragen betreffen die praktische Lichtversorgung, die Produktionsgeschwindigkeit und die Trennung des erzeugten Wasserstoffperoxids von anderen Bestandteilen.

Die bisherigen Laborversuche liefern wichtige Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Materialstruktur und katalytischer Leistung.

Sie ersetzen jedoch keine umfassende Erprobung unter industriellen Bedingungen.

Ein konkreter Termin für eine kommerzielle Nutzung wurde nicht genannt.

Potsdamer Entdeckung könnte neue Wege für die grüne Chemie eröffnen

Mit CALiK haben die Forschenden einen Katalysator entwickelt, der unter den untersuchten Bedingungen deutlich leistungsfähiger ist als vergleichbare Materialien.

Die entscheidende Erkenntnis liegt in der gezielten Anordnung der Ionen innerhalb des Kristallgitters.

Damit eröffnet sich ein neuer Weg, Fotokatalysatoren bereits während ihrer Herstellung zu optimieren.

Für die Wissenschaft ist das ein bedeutender Fortschritt im Verständnis lichtgetriebener chemischer Reaktionen.

Langfristig könnte diese Forschung dazu beitragen, Wasserstoffperoxid und möglicherweise weitere chemische Rohstoffe energieeffizienter herzustellen.

Ob daraus tatsächlich neue industrielle Produktionsverfahren entstehen, werden weitere Untersuchungen zeigen.

Schon jetzt unterstreicht die Studie die Bedeutung der Grundlagenforschung am Wissenschaftsstandort Potsdam-Golm für die Entwicklung ressourcenschonender Zukunftstechnologien.