Feinchemikalien mit Nanopartikeln herstellen

Können wir mit Sonnenlicht energie- und kostengünstig Feinchemikalien herstellen? Und wie müssten die Reaktionsprozesse dafür aussehen? Mit diesen Fragen beschäftigen sich Prof. Dr. Claudia Pacholski aus dem Fachbereich II und Prof. Dr. Heiko Möller von der Universität Potsdam in ihrem neuen Forschungsprojekt „Mechanistische Untersuchung und Optimierung plasmonengetriebener Reaktionen durch In-situ-Analytik und Flow-Chemie“.

Damit sind sie eines von zwölf wissenschaftlichen Teilprojekten des DFG-Sonderforschungsbereichs 1636 „Elementare Prozesse lichtgetriebener Reaktionen an nanoskaligen Metallen“ der Universität Potsdam. Im Fokus der Arbeit von Pacholski und Möller steht die Beschaffenheit der metallischen Nanopartikel – und wie sie die jeweilige Reaktion beeinflussen.

Metallische Nanopartikel haben eine besondere Eigenschaft: die Plasmonenresonanz. Sie entsteht, wenn Elektronen in metallischen Nanopartikeln von Licht zum Schwingen angeregt werden. Dadurch werden können sie Reaktionen katalysieren – im Gegensatz zu großen Gold- oder Silberoberflächen – und lassen sich theoretisch für die Herstellung von Feinchemikalien nutzen. Die zugrunde liegenden Prozesse sind kaum erforscht. Das Team Pacholski-Möller will sie besser verstehen und genau ansteuern können. Dafür nimmt es die Wechselwirkungen zwischen Licht und metallischen Nanopartikeln unter die Lupe.

Experimente mit Gold- und Silbernanopartikeln

Für ihre Untersuchungen stellt Pacholski zunächst die Katalysatoren her: Dabei experimentiert sie mit Gold- und Silbernanopartikeln, die unterschiedlich geformt und angeordnet sind. Auch ihre Beschichtung mit verschiedenen Molekülen variiert sie. Diese sorgen in kolloidalen Lösungen dafür, dass die einzelnen Nanopartikel den Abstand zueinander wahren und nicht als große ‚Klumpen‘ ausfallen, sodass Licht sie nicht mehr effizient erreichen kann. Die Nanopartikel bringt sie dann auf Glasplättchen auf und legt sie in eine Reaktionslösung. In dieser Lösung liegen organische Moleküle vor, die im Idealfall mit den metallischen Nanopartikeln unter Bestrahlung reagieren und so in ein neues Produkt umgewandelt werden.

Das Ganze soll in einer sogenannten Durchflusszelle stattfinden. In ihr können Lösung und Moleküle an den Glasplättchen mit den Nanopartikeln vorbeifließen, während von oben Licht auf sie fällt. Der Vorteil: Pacholski kann Lösung und Moleküle sparsam einsetzen. Außerdem bleiben die Bedingungen in der Zelle stets gleich, sodass einzelne Faktoren verändert und ihre Auswirkungen beobachtet werden können.

Welchen Einfluss hat es beispielsweise auf die Reaktion,

• womit die Nanopartikel beschichtet sind?
• aus was die Lösung besteht?
• wie schnell die Lösung durchfließt?
• welche Wellenlänge das Licht hat?
• wie hoch Temperatur und Druck sind?

Anschließend kommt Prof. Dr. Möller zum Zug. Er schaut sich die chemischen Reaktionen genauer an: Wie verhalten sich die einzelnen Reaktionsteilnehmer? Welche Zwischenprodukte fallen an? Welche Reaktionsprodukte entstehen – und was gibt am Ende den Ausschlag für die jeweilige Reaktion? Dafür nutzt er die NMR-Spektrometer an der Universität Potsdam, welche Beobachtungen auf der atomaren Ebene erlauben.

Noch steht das Team am Anfang seiner Forschung. Im ersten Schritt wird es die Durchflusszelle entwerfen und geeignete Lösungen und Beschichtungen identifizieren. Dafür starten die Wissenschaftler*innen mit Molekülen und Stoffen, die schon gut erforscht sind: Citrat und Methylenblau gehören dazu.

Hintergrund: DFG-Sonderforschungsbereich

Mit den Sonderforschungsbereichen fördert die DFG für zwölf Jahre fächerübergreifende Spitzenforschung im Verbund. Der DFG-Sonderforschungsbereich 1363 startete am 1. April 2024 in die erste von drei Förderphasen. Er besteht aus zwölf Teilprojekten, antragstellende Institution ist die Universität Potsdam. Neben der BHT und der Universität Potsdam sind das Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie Berlin, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung (IAP), die Humboldt-Universität zu Berlin und das Deutsche Elektronen-Synchotron (DESY) beteiligt.

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