Wissenschaftler erreichen hohe Einsparung in Kombination mit Licht

Forscher des Instituts für Chemie an der Universität von Teheran und der Russischen Universität der Völkerfreundschaft (RUDN) haben eine neue Art von Photokatalysatoren entwickelt – Nanostrukturen aus Titandioxid, mit denen u.a. die Herstellung von Pharmaka, Düngemitteln, Pestiziden Lebensmittelzusätzen und anderen nützlichen Produkten aus organischen Stoffen revolutioniert werden könnten.

Die nanometergroßen Reaktoren, hohle Würfel mit ultradünnen Wänden, sorgen für 28-fach effektivere organische Reaktionen bei Raumtemperatur unter dem Einfluss von sichtbarem Licht. Weil die Wände extrem dünn sind, kann Licht ungehindert einfallen. Das beschleunigt die Reaktion der Stoffe, die sich im Inneren befinden oder ermöglicht sie erst.

Herkömmliche Verfahren erfordern hohe Druck- und Temperaturwerte. Eine der Möglichkeiten, die chemische Industrie weniger energieintensiv zu machen, ist die Photokatalyse. Photokatalysatoren sind in der Lage, organische Reaktionen unter Lichteinwirkung unter Umgebungsbedingungen zu beschleunigen, d.h. ohne Temperatur- oder Druckerhöhung.

Titandioxid als Katalysator der Zukunft

Titandioxid gilt als zukünftiger Katalysator. Seine katalytische Aktivität wird jedoch nur im UV-Licht aktiviert, das nur 5% des Sonnenlichts ausmacht. In Form von hohlen Nanostrukturen wird Titandioxid als Katalysator aktiver. Rafael Luque, Direktor des Zentrums für Molekulares Design und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin, beschrieb zusammen mit Kollegen aus dem Iran eine neue Art solcher Strukturen mit hoher photokatalytischer Aktivität: schwarze hohle Nanowürfel aus Titandioxid (BHC-Ti2).

Die Entwicklung der neuen Nanostrukturen dauerte fast zwei Jahre. Die Wissenschaften schufen einen vergleichsweise einfachen Ansatz für das Design von Nanostrukturen. Das Verfahren besteht aus vier Hauptschritten. Zunächst bereiten die Chemiker Nanowürfel aus Hämatit vor und bedecken sie mit Titandioxid. Im nächsten Schritt werden die Innenseiten der Würfel mit der Lösung von Salzsäure ausgewaschen, wobei nur die dünne Titandioxidhülle übrig bleibt. Die letzte Stufe ist das Backen bei 550° C in einer Wasserstoff-Argon-Atmosphäre. Danach werden die Proben zu schwarzen hohlen Nanowürfeln. Der gesamte Prozess dauert 2-3 Tage.

“Die Hauptvorteile unserer Konstruktionen liegen darin, dass sie einfach zu erstellen, langlebig und für verschiedene Zwecke einsetzbar sind. BHC-TiO2 kann als Photokatalysator, zur Wasseraufbereitung zur Beschleunigung des Schadstoffabbaus sowie zur Biomassekonversion eingesetzt werden. Derzeit untersuchen wir die Anwendung von Photokatalysatoren bei der Produktion organischer Substanzen”, sagt Rafael Luque aus Cordoba (Spanien), Professor am Zentrums für Molekulares Design und Synthese innovativer Verbindungen für die Medizin der RUDN.

Die Forscher der RUDN überprüften die katalytische Aktivität verschiedener Arten von Nanowürfeln – einteilige aus Titandioxid, hohle und gebackene schwarze hohle BHC-TiO2-Würfel – in einem Experiment mit Benzimidazolsynthese. Die Derivate dieser Substanz sind in der Pharmaindustrie sehr gefragt. Einige Proben wurden sichtbarem Licht einer normalen Halogenlampe ausgesetzt, andere – UV-Strahlung.

BHC-TiO2-Partikel zeigten eine hohe katalytische Aktivität unter beiden Expositionsarten. 86% der Ausgangssubstanz wurden unter dem Einfluss von sichtbarem Licht verarbeitet, das ist 28 mal mehr als im Experiment mit einteiligen (nicht hohlen) Titandioxidwürfeln. Chemiker glauben, dass diese Aktivität der neuen Strukturen auf ihre Hohlheit, ihre große Oberfläche und ihre porösen, ultradünnen Wände zurückzuführen ist. All diese Eigenschaften machen Nanowürfel zu Nanoreaktoren, d.h. sie reflektieren und streuen Licht und absorbieren leicht organische Substanzen, wodurch ein Medium für effektive Reaktionen im Inneren der Würfel entsteht. Eine wichtige Rolle spielen auch Ti3+-Ionen, die sich beim Backen auf der Oberfläche von Nanowürfeln bilden. RUDN-Wissenschaftler glauben, dass sie den Elektronentransfer erleichtern, so dass die gesamte Struktur sichtbares Licht absorbiert (und nicht nur das UV-Licht wie reines Titandioxid).

BHC-TiO2-Nanoarchitekturen zeigten eine hervorragende photokatalytische Leistung unter sichtbarem Licht bei der Herstellung von Benzimidazolderivaten – Bild © Allen Dressen.

Die Experimente bewiesen eine hohe Lebensdauer der Nanoreaktoren: Auch nach dem sechsten Einsatz blieben die Strukturen in ihrer Form und fast alle Ti3+-Ionen auf ihrer Oberfläche. Daher kann BHC-TiO2 verwendet werden, um mindestens sieben organische Reaktionen ohne Verlust ihrer katalytischen Aktivität durchzuführen.

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