Chemie mit Licht machen, oder: Wie man mit Vakuum und Lasern von der Natur lernt » KlarText Blog » SciLogs

Die Nutzung von Sonnenlicht qua Energiequelle zum Besten von chemische Reaktionen ist keine neue Idee. Die Natur tut dies ganz selbstverständlich, bspw. beim bekannten Prozess jener pflanzlichen Photosynthese. Welche Methode wird erst seit dieser Zeit irgendwas mehr qua hundert Jahren in Chemielaboren untersucht und angewendet, hatte jedoch nie Auswirkungen aufwärts großtechnische chemische Prozesse, die immer noch aufwärts fossilen Brennstoffen qua Hauptenergiequelle basieren. Die zum Besten von eine Reaktion benötigte Leistung aus Licht statt aus Verbrennungswärme Vorteil verschaffen zu können, wäre ein unschätzbarer Siegespreis, denn Sonnenenergie ist nachhaltig und wird täglich in großen Mengen bereitgestellt. Um die Photochemie effizient nutzen zu können, sollen wir jedoch genau verstehen, wie sie funktioniert.

Aufwärts die Frage „Und welches zeugen Sie in Ihrer Promotion?“ hatte ich immer eine einheitliche Reaktion parat. Dasjenige war: „meine Wenigkeit schieße Laser aufwärts Oberflächen im Vakuum, aufwärts denen sich Moleküle entscheiden, und schaue, welches passiert.“ Oft war zu diesem Zeitpunkt dies Motivation schon abgeschwollen und dies Gespräch wandte sich schnell irgendwas anderem zu. Jedoch manchmal kam die Folgefrage: „Warum sollte man so irgendwas tun?“ Ehrlich gesagt: Einerseits macht es wie geschmiert Spaß. Wiederum ist es wissenschaftlich spannend und nicht zuletzt vielversprechend zum Besten von die praktische Gebrauch: Wir wollen die Leistung des Lichts zum Besten von chemische Reaktionen nutzen.

Dasjenige Zauberwort zum Besten von die Fragen nachher dem Welches und Warum heißt Photokatalyse. Wenn Ihnen jetzt Erinnerungen an den Biologieunterricht und die Photosynthese in den Sinn kommen, sind Sie aufwärts dem richtigen Weg. Im Prinzip macht die Natur mit dem Sonnenlicht genau dies, welches wir mit unseren Lasern im Laboratorium versuchen: Sie nutzt die Lichtenergie („Foto“) zum Besten von chemische Reaktionen zum Gerüst von Molekülen („Synthese“). Unzählige Pflanzenarten produzieren aus CO Zucker und Sauerstoffgas₂ und Wasser mit einem Katalysator, jener die Leistung des Sonnenlichts nutzt. Und dies weltweit, Tag zum Besten von Tag, Sekunde zum Besten von Sekunde, in gigantischem Stärke. Leider ist die Menschheit von einer solchen Energieeffizienz unter jener chemischen Nutzung jener Sonnenenergie verdammt weit fern. Während die Natur die Photochemie beherrscht, steckt dies technische Niveau noch in den Kinderschuhen. Von dort nutzen große chemische Prozesse immer noch Strom und Wärme aus jener Verbrennung fossiler Brennstoffe qua Hauptenergiequelle. Genau aus diesem Grund schieße ich Laser aufwärts Oberflächen im Vakuum, aufwärts denen sich Moleküle entscheiden, und schaue, welches passiert: Wir wollen genau verstehen, welches unter jener Photokatalyse im Detail passiert, um sie letztendlich technisch nutzen zu können. Jedoch warum mit Lasern, Vakuum und Oberflächen?

Zusammen mit jener Nachahmung natürlicher, biologischer Prozesse nach sich ziehen wir in jener Chemie ein großes Problem: Die Natur ist sehr komplex und wählerisch. Die Organismen, die Photochemie betreiben, nutzen viele Enzyme, Proteine ​​und kleine Moleküle, deren genaue Aufgaben uns manchmal gar nicht oder oft nur vage traut sind. Jedoch sogar wenn sie uns traut wären, wäre es derzeit kaum möglich, jene filigranen Strukturen technisch „nachzubilden“. Wir sollen folglich die Gedöns vereinfachen und aufwärts dies Wesentliche reduzieren, wenn wir photochemische Prozesse technisch nutzen wollen. Im Vorfeld wir uns mit jener höheren Mathematik befassen, lernen wir zunächst die Einmaleins Kontakt haben. Hierzu nutzen wir den Laser, dies Vakuum und die Oberflächen.

Jener Laser ist unsrige Lichtquelle. Es liefert uns sehr intensives Licht, konzentriert in einem Strahl, jener monochromatisch ist. Dasjenige heißt, es hat nur eine Wellenlänge, folglich eine Ton. Sonnenlicht verfügt darüber hinaus ein breites Spektrum an Wellenlängen, welches die Sache kompliziert macht, da nur bestimmte Abschnitte des Spektrums photochemisch genutzt werden können. Zudem ist er schwächer qua jener Laser (beiläufig die Intensität schwankt stark) und kann unter Drang nicht eingeschaltet werden. Welche Punkte zeugen Sonnenlicht zum Besten von die photokatalytische Wissenschaft im Laboratorium unbrauchbar und verdeutlichen die Vorzüge des Lasers qua Licht- und damit Energiequelle.

Dasjenige Vakuum ist die Umgebung, in jener wir eine Photoreaktion untersuchen. Jener Sinn des Vakuums besteht darin, dass unsrige Reaktion hier sozusagen gar keine Umgebung hat, denn in einem solchen Vakuum ist sie doch ziemlich leer. Die Umgebung gelenkt immer chemische Prozesse, und wenn wir unsrige Photoreaktion qua solche verstehen wollen, muss die Umgebung zunächst ausgeblendet werden. Nicht nur Temperatur und Pressung können verknüpfen Stärke nach sich ziehen; Neben… die Moleküle einer umgebenden Fluid oder eines umgebenden Gases können unseren Katalysator verändern oder unsrige photokatalytische Reaktion stören. Um dies zu vermeiden, funktionieren wir ohne Umgebung – im luftleeren Raum.

Unter Oberflächen versteht man die Oberflächen eines Katalysators, jener eine Reaktion formidabel beschleunigt, im Gegensatz dazu selbst nicht verbraucht wird. Zusammen mit jener Photokatalyse fängt unser Katalysator die Lichtstrahlung des Lasers ein und nutzt die absorbierte Leistung, um die Moleküle aufwärts jener Oberfläche chemisch umzuwandeln. Halbleiter eignen sich insbesondere gut zum Besten von jene Übertragung, wodurch Titandioxid (TiO) insbesondere gut probat ist₂) ist in jener Wissenschaft beliebt. Es ist günstig, ungiftig, leichtgewichtig verfügbar (und übrigens beiläufig in weißer Wandfarbe und Sonnenschutzmitteln qua niedlich verteilte Partikel enthalten). Dies macht es beiläufig zum Besten von den technischen Hinterlegung interessant, unter dem aufwärts praktische, wirtschaftliche Aspekte geachtet werden muss. Sehr wohl besteht unser Titandioxid-Photokatalysator nicht aus kleinen Partikeln (obwohl dies beiläufig möglich wäre), sondern aus einem einzelnen Kristall. Während Pulverpartikel unterschiedliche Oberflächen haben, verfügen Kristalle darüber hinaus eine unteilbar präzise strukturierte Oberfläche, die formidabel zum Verständnis chemischer Prozesse beiträgt.

Jetzt nach sich ziehen wir folglich verknüpfen Laser, ein Vakuum und eine Oberfläche – es fehlen noch die Moleküle, die wir photokatalytisch umwandeln wollen. Wir verwenden hierfür Alkohole, da jene in vielen verschiedenen Strukturen und Größen vorliegen und wir somit aufwärts ein breites chemisches Spektrum zurückgreifen können. Darüber hinaus können sie aus biologischen Prozessen wie Fermentation und aus Biomasse gewonnen werden und sind somit ein nachhaltiger Rohstoff. Jener bekannteste Alkohol ist natürlich dies trinkbare Ethanol, im Gegensatz dazu beiläufig sein dicker Teppich gemeinsamer Klosterbruder Methanol ist traut – er macht konsumblind…

Außer von jener Verträglichkeit lassen sich Alkohole aufwärts unserer Katalysatoroberfläche hervorragend photokatalytisch umtopfen. Durch jene Alkoholphotochemie erhalten wir neben verschiedenen organischen Molekülen beiläufig Wasserstoff qua Reaktionsprodukt. Somit ist es möglich, aus Alkoholen qua nachhaltigem Rohstoff photokatalytisch wertvollen Wasserstoff zu erzeugen, wodurch uns sehr milde Bedingungen genügen. Im Vergleich dazu erfordert die industrielle Wasserstoffproduktion z. B. aus Sumpfgas hohe Drücke und Temperaturen, welches nicht nur teuer ist, sondern beiläufig große Mengen an Treibhausgasen freisetzt. Unsrige photokatalytische Methode weist jene Nachteile nicht aufwärts und stellt von dort verknüpfen vielversprechenden Methode zum Besten von die umweltfreundliche Chemie von morgiger Tag dar.

Die Photochemie, wie wir sie praktizieren, ist sicherlich nicht im großen Messlatte technologisch anwendbar. Denn vom Laser zum Sonnenlicht, vom Vakuum zum Raumdruck und vom Kristall zum Pulver ist es ein ziemlich großer Sprung. Unsrige Wissenschaft trägt jedoch dazu unter, die zugrunde liegende Chemie jener Photokatalyse besser zu verstehen, die Katalysatoren zu verbessern und sie schließlich zum Besten von die praktische, technische Chemie zu errechnen und anzuwenden. Während wir Laser aufwärts Oberflächen im Vakuum schießen, aufwärts denen sich Moleküle entscheiden, tragen wir dazu unter, eine nachhaltige Methode zum Besten von technische chemische Prozesse zu gedeihen.

Moritz Eder studierte Chemie an jener Technischen Universität München. Sein Spezialgebiet sind katalytische Reaktionen aufwärts Oberflächen. In seiner Doktorarbeit untersuchte er die chemischen Mechanismen von Alkoholen, die aufwärts Halbleitern unter Lichteinstrahlung verlaufen. Seit dem Zeitpunkt Jänner 2022 ist er Postdoc an jener TU Wien, wo er seine Wissenschaft mit mikroskopischen Methoden fortsetzt. Sein Forschungsvorhaben SCI-PHI wird ab September 2023 mit einem EU-Marie-Curie-Stipendium gefördert.