Mit einer Prise kontrollierten (chemischen) Chaos: mehr Wasserstoffperoxid aus Sonnenlicht

• Nachhaltigeres Wasserstoffperoxid dank Sonnenlicht: Wasserstoffperoxid, ein industrieller Allrounder, soll klimafreundlicher hergestellt werden. Die SunThesis-Gruppe um Dr. Christian M. Pelicano setzt dazu auf Sonnenlicht statt des heute üblichen, fossilbasierten und energieintensiven Verfahrens.
• Eine Prise Salz für einen besseren Katalysator: Dem bekannten Katalysator KPHI wurde eine Prise Ammoniumsalz zugesetzt. Das zerkleinert größere Kristalle schonend und erzeugt nützliche Unregelmäßigkeiten, die Elektronen gezielt zu den Reaktionsstellen leiten. So absorbiert KPHI tiefer im sichtbaren Spektrum, liefert 1,4-mal mehr Wasserstoffperoxid und lässt sich bei 500 °C statt der üblichen 600 °C synthetisieren.
• Ausblick: Bei entsprechender Skalierung könnten sonnengetriebene Durchflussreaktoren Wasserstoffperoxid lokal und nach Bedarf erzeugen – ohne fossile Energieträger und die Risiken des heutigen Gefahrguttransports.

Die meisten kennen Wasserstoffperoxid als vielseitiges Reinigungs- und Desinfektionsmittel für den Haushalt. Doch die Verbindung spielt auch in der Industrie eine zentrale Rolle – etwa bei der Herstellung von Kunststoffen, Arzneimitteln, Papier und vielen Alltagsprodukten. Leider erfolgt die Produktion bislang unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen auf Basis fossiler Rohstoffe – ein Verfahren, das so energieintensiv und umweltschädlich ist wie bei seiner Industrialisierung vor rund 80 Jahren.

Die Forschungsgruppe SunThesis unter Leitung von Dr. Christian Mark Pelicano hat sich vorgenommen, Wasserstoffperoxid mit Hilfe von Sonnenlicht herzustellen. Im Fokus steht dabei Kalium-Poly(heptazin-imid), kurz KPHI – ein Zungenbrecher selbst für Chemiker:innen, aber ein vielversprechender, metallfreier Katalysator aus häufig vorkommenden, ungiftigen Elementen. Allerdings kann KPHI bislang nur Licht aus dem violett-blauen Bereich des Sonnenspektrums nutzen.

„Wir haben das Nanodesign von KPHI angepasst, um das Sonnenlicht effizienter zu nutzen“, erklärt Dr. Jaya Bharti, Erstautorin der in Advanced Materials veröffentlichten Studie. „Konkret haben wir das übliche Herstellungsverfahren leicht verändert und eine Prise Ammoniumsalz hinzugegeben.“

Dieses Ammoniumchlorid formt den Katalysator auf der Nanoskala um: Einerseits zerlegt es größere Kristalle in kleinere – so vergrößert sich die aktive Oberfläche, und die Wege, die elektrische Ladungen bis zu den Reaktionszentren zurücklegen müssen, werden kürzer. Andererseits entstehen dabei gezielte „Unvollkommenheiten“, die die angeregten Elektronen zu den Orten leiten, an denen die Reaktionen stattfinden. „Mit der richtigen Portion kontrolliertem Chaos wirken diese Defekte wie kleine Beschleunigungsschwellen für den Ladungsfluss, anstatt ihn abzubremsen“, sagt Pelicano.

Das Ergebnis: Das „unordentlichere“ KPHI erzeugt etwa 1,4-mal mehr Wasserstoffperoxid als die herkömmliche Variante – und das, obwohl es Licht aus einem deutlich größeren Bereich des sichtbaren Spektrums nutzt. Zudem spart die Herstellung Energie: Beim Erhitzen zersetzt sich das Ammoniumsalz und setzt Ammoniakgas frei, das die Bildung der Katalysatorstruktur bereits bei 500 C statt 600 C ermöglicht.

„Wir haben eine der bislang höchsten Wirkungsgrade für einen metallfreien Photokatalysator erreicht – und das mit einem Verfahren, das deutlich klimafreundlicher ist als bisherige Methoden“, betont Pelicano. 

Mit Blick nach vorn möchte das Team die Ergebnisse aus dem Labor in sonnenlichtgetriebene Durchflussreaktoren überführen. So ließe sich Wasserstoffperoxid künftig vor Ort und bei Bedarf produzieren – ganz ohne fossile Energieträger, Hochdruckanlagen oder riskante Transporte.