Immer der Farbe nach
Forschende entwickeln programmierbaren Photokatalysator
Chemische Reaktionen lassen sich mit farbigem Licht steuern – das funktioniert mit einem intelligenten Photokatalysator, der von Forschenden des Lehrstuhls für Physikalische Chemie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung entwickelt wurde. Die Farbe des Lichts bestimmt, welche einprogrammierten chemischen Reaktionen der Photokatalysator auslöst. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie Int. Ed. veröffentlicht. *
Photokatalysatoren sind spezielle Materialien, die die Energie von Sonnenlicht oder LED-Licht nutzen, um eine gewünschte Reaktion in Gang zu setzen. Bei der Reaktion entstehen normalerweise viele Produkte, die Chemikerinnen und Chemiker dann aufwendig voneinander trennen müssen. Man spricht deshalb bei den Photokatalysatoren von fehlender Selektivität.
Um mit einem Photokatalysator gezielt nur Sulfonamide – schwefelorganische Verbindungen, die unter anderem als Antibiotika zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden – herzustellen, haben Forschende des Max-Planck-Instituts und der FAU einen Photokatalysator aus aktivem Kohlenstoffnitridmaterial geschaffen. Unter Lichteinfall produziert dieses Material normalerweise ein Gemisch aus drei Stoffen. Der intelligente Photokatalysator kann zwischen den Lichtfarben Blau, Rot und Grün unterscheiden. Mit der richtigen Lichtfarbe produziert er ausschließlich, also mit hoher Selektivität, Sulfonamide. Die Reaktion ist automatisch mit der Lichtfarbe verknüpft. Diese Methode könnte möglicherweise auch die Herstellung von Sulfonamid-Antibiotika nachhaltiger gestalten.
Um den smarten Photokatalysator auch für die gezielte Herstellung weiterer Materialien zu verwenden, ist es wichtig herauszufinden, wie dieser funktioniert und warum er sich von gewöhnlichen Photokatalysatoren unterscheidet. Dafür untersuchte das Team um Prof. Dr. Dirk Guldi vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie den Mechanismus des Katalysators mit einer Vielzahl von spektroskopischen Methoden, bei denen durch die Interaktion mit Licht auf physikalische Eigenschaften von Materialien zurückgeschlossen werden kann. So konnten die Forschenden insbesondere durch die Ultrakurzzeitspektroskopie, bei der Messungen innerhalb von weniger als einer Mikrosekunde möglich sind, zeigen, dass die Aktivierung von Sauerstoff durch den Photokatalysator eine entscheidende Rolle spielt, um selektiv eine gewünschte Reaktion einzuleiten. „Unsere Erkenntnisse sind ein erster Meilenstein in Richtung intelligente Moleküle. Mit Ihnen könnten wir in Zukunft Reaktionen gezielt auslösen und damit genau die Materialien herstellen, die wir brauchen”, erklärt Prof. Dr. Guldi.
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
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