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23.10.2018

Nanoreaktoren revolutionieren Chemie

Nanoreaktoren revolutionieren Chemie

Russische Wissenschaftler erreichen hohe Energieeinsparung in Kombination mit Licht

Künstlerische Grafik eines winzig kleinen Nanoreaktors (Bild: Allen Dressen)
Künstlerische Grafik eines winzig kleinen Nanoreaktors (Bild: Allen Dressen)

Moskau (pte015/11.10.2018/10:30) - Forscher der Russischen Universität der Völkerfreundschaft http://eng.rudn.ru haben nanometergroße Reaktoren entwickelt, die die Herstellung von Pharmaka, Düngemitteln, Pestiziden, Lebensmittelzusätzen und anderen Produkten revolutionieren könnten. Es handelt sich um winzige Würfel mit extrem dünnen Wänden aus Titandioxid. Da die Wände extrem dünn sind, kann Licht ungehindert einfallen. Das beschleunigt die Reaktion der Stoffe, die sich im Inneren befinden oder ermöglicht sie erst.

Zimmertemperatur reicht aus

Die Reaktionen laufen bei Zimmertemperatur ab, während sie im Normalfall oft erst bei hohen Temperaturen und Drücken in Gang kommen. Trotzdem ist, so die Wissenschaftler, die neue Methode 28 Mal effektiver als die klassische. Photokatalyse nennt sich dieses Verfahren, das dazu angetan ist, den gewaltigen Energiehunger der chemischen Industrie massiv zu reduzieren. Titandioxid gilt als eines der wichtigsten photokatalytischen Materialien. In feinster Pulverform reinigt es beispielsweise Wasser von organischen Verschmutzungen, wenn das ultraviolette Licht der Sonne hilft.

Rafael Luque, Direktor des Zentrums für molekulares Design, und sein Team haben zwei Jahre benötigt, um die hohlen Nanowürfel (BHC-TiO2) zu entwickeln. Die Herstellung findet in vier Hauptschritten statt. Zunächst stellen die Chemiker Nanowürfel aus Hämatit her, einem weitverbreiteten Eisenoxid (Fe2O), und überziehen es mit Titandioxid. Im zweiten Schritt entfernen die Forscher das Hämatit mit Salzsäure. Übrig bleibt nur die Hülle aus Titandioxid. Anschließend erhitzen sie den Würfel in einer Atmosphäre aus Wasserstoff und Argon auf eine Temperatur von über 500 Grad Celsius. Danach sind die BHC-TiO2 fertig.

Extrem vielseitige Einsetzbarkeit

"Unsere Würfel lassen sich leicht herstellen, sind sehr haltbar und können für unterschiedliche Reaktionen genutzt werden", so Luque. In ersten Experimenten gelang unter anderem die Synthese von Benzimidazol, einem wichtigen Ausgangsmaterial für die Herstellung von Arzneimitteln, Farben und Kunststoffen. Dabei verließen sich die Forscher allerdings nicht auf das natürliche Sonnenlicht, das zu wenig ultraviolettes Licht enthält. Sie setzten Halogenstrahler ein.

Bei realer Produktion sind den Experten nach Millionen dieser Reaktoren einsetzbar, sodass auch große Mengen herstellbar sind. Nanoreaktoren haben neben der Energieeinsparung noch einen weiteren wesentlichen Vorteil. In ihnen selbst lassen sich hochexplosive Materialien ohne sonderliche Sicherheitsvorkehrungen verarbeiten. Wenn es zu einem Unfall kommt, sind die Folgen wegen der Winzigkeit des Reaktionsraums vernachlässigbar gering.