Der erste programmierbare Photokatalysator

Mit smart materials zu nachhaltigerer Chemie

2. September 2021

Forschende am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben einen nachhaltigen und intelligenten Photokatalysator entwickelt. Die Besonderheit: Als sogenanntes smart material kann er zwischen Lichtfarben (Blau, Rot und Grün) unterscheiden und vermittelt jeweils eine andere chemische Reaktion.

Atomare Struktur des Kohlenstoffnitrid-Photokatalysators, dargestellt durch verschiedene Farben. Ein S-Acetylthiophenol-Molekül (links) nähert sich dem Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator. Wenn Licht einer bestimmten Farbe (grün, blau oder violett) auf die Oberfläche trifft, wandelt der Kohlenstoffnitrid-Photokatalysator das S-Acetylthiophenol-Molekül in Diphenyldisulfid (mit grünem Strahl hervorgehoben), Sulfonylamid (mit blauem Licht hervorgehoben) oder Chlorbenzol (mit violettem Licht hervorgehoben) um.

„Unser intelligenter Photokatalysator funktioniert wie eine Art Lotse, der auf bestimmte Lichtfarben reagiert und daraufhin einen bestimmten Weg einschlägt“, sagt Yevheniia Markushyna, Forscherin am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Photokatalysatoren sind spezielle Materialien, die die Energie von Sonnenlicht oder LED-Licht nutzen, um eine gewünschte Reaktion zu ermöglichen. Dabei entsteht oft nicht nur ein Produkt, sondern eine Vielzahl. Chemiker nennen dies fehlende Selektivität, weil die Abtrennung des gewünschten Produkts aus dem Gemisch Zeit und Ressourcen kostet.

Die Farbe des Lichts steuert die Reaktion

Anders mit der am Potsdamer Max-Planck-Institut entwickelten neuen Methode, mit der das Forscherteam beispielsweise gezielt Sulfonamide synthetisieren kann. Sulfonamide sind schwefelorganische Verbindungen, die unter anderem als Antibiotika zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden. Die Forschenden haben ein photokatalytisch aktives Kohlenstoffnitridmaterial geschaffen, das mit hoher Selektivität Sulfonamide produziert. Mit Hilfe des nachhaltigen intelligenten Photokatalysators wird selektiv ein Produkt aus drei möglichen aus demselben Reagenz erzeugt, indem die Farbe des einfallenden Lichts angepasst wird. „Das Besondere daran ist, dass wir die Selektivität der chemischen Reaktion steuern können, indem wir die Glühbirne mit der richtigen Farbe einschalten", sagt Yevheniia Markushyna. „Wir verfügen heute über nachhaltige intelligente Photokatalysatoren und das Wissen, wie man mit Hilfe von Sonnenlicht auf möglichst effiziente Weise organische Verbindungen mit hohem Mehrwert herstellen kann", sagt Aleksandr Savateev, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. Er fügt hinzu: „Möglicherweise könnte unsere Methode auch die Herstellung von Sulfonamid-Antibiotika nachhaltiger gestalten.“

Komplexe biologische Objekte, wie das menschliche Auge oder moderne Kameras in elektronischen Geräten, können Lichtfarben wahrnehmen. Es ist eine große Herausforderung, intelligente Moleküle zu entwickeln, die nur aus einigen Dutzend Atomen bestehen. Solche Moleküle müssen nicht nur Lichtfarben (Blau, Rot und Grün) erkennen, sondern auch eine bestimmte einprogrammierte Aktion ausführen, die von der jeweiligen Lichtfarbe abhängt.

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