Bunte Mikroreaktoren nutzen Sonnenlicht

Energie effiziente solare Photochemie mit Lumineszenz-Solarkonzentratoren

03.09.2019 - Niederlande

Die Sonne ist die nachhaltigste Energiequelle auf unserem Planeten und lässt sich nutzen, um photochemische Reaktionen in Gang zu bringen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Wissenschaftler einen breit anwendbaren, kostengünstigen Photo-Mikroreaktor vor. Er basiert auf „lumineszierenden Solarkonzentratoren“, die Photonen einfangen, umwandeln und der Reaktion zur Verfügung stellen. So gelang unter anderem die Synthese zweier Pharmaka.

Forschungen zur Nutzung des Sonnenlichts konzentrierten sich bisher vor allem auf Solarstrom, Solarthermie und Solarbrennstoffe, während die Sonnenlicht-getriebene Synthese von Chemikalien noch in den Kinderschuhen steckt. Lichtenergie kann chemische Reaktionen „beflügeln“, indem sie z.B. einen Katalysator in einen angeregten Zustand versetzt und eine Reaktion auf diese Weise beschleunigt oder erst ermöglicht. Nachteile der Sonne als Lichtquelle sind jedoch, dass der Großteil der spektralen Berstrahlungsstärke (Strahlungsfluss pro Oberflächeneinheit) nur in den relativ schmalen Bereich des sichtbaren Lichts fällt und zudem Schwankungen in der Bestrahlungsstärke, z.B. durch vorbeiziehende Wolken, auftreten können.

Die Wissenschaftler von der Universität Eindhoven, Niederlande, und dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam, Deutschland, zeigen jetzt erstmals, dass verschiedenste Reaktionstypen effektiv durch Bestrahlung mit Sonnenlicht angetrieben werden können. Erfolgsgeheimnis ist ihr speziell entwickelter kostengünstiger „Photomikroreaktor“ auf der Basis lumineszierender Solarkonzentratoren (Luminescent Solar Concentrators, LSCs).

Die LSCs sind lichtleitende Platten aus Polymethylmethacrylat (PMMA), denen spezielle Leuchtstoffe beigegeben werden, die Photonen aus dem Sonnenlichtspektrum einfangen und anschließend als Fluoreszenz wieder abstrahlen – bei einer für den Leuchtstoff charakteristischen, etwas längeren Wellenlänge. Auf diese Weise wird das Sonnenlicht in einen schmalen Wellenlängenbereich konzentriert, sodass Tageszeit- und Wetter-abhängige Schwankungen der spektralen Verteilung keine Rolle mehr spielen.

In die LSCs sind feine Kanäle aus einem lösungsmittelbeständigen Kunststoff eingebettet, durch die die Reaktionsmischung fließt. Ein Lichtsensor misst die Lichtintensität und ein integrierter Schaltkreis passt die Fließgeschwindigkeit autonom an: Je geringer die Lichtintensität, desto langsamer soll die Mischung den Kanal passieren, damit sie die notwendige Strahlungsdosis für einen ausreichenden Umsatz abbekommt. So lassen sich Fluktuationen des Sonnenlichts ausgleichen und das Produkt bleibt einheitlich.

Die Wahl der in die LSCs eingebetteten Leuchtstoffe richtet sich nach der benötigten Wellenlänge der jeweiligen für die gewünschte Reaktion benötigten Katalysatoren. Die Forscher um Timothy Noël stellten rote, grüne und blaue LSC-Reaktoren her für Reaktionen mit den Photokatalysatoren Methylenblau (roter Reaktor), Eosin Y und Bengalrosa (grüner Reaktor) sowie Ruthenium-basierten Komplexen (blauer Reaktor). „So gelang uns unter anderem die Synthese des Wurmmittels Ascaridol und eines Vorläufers des Malariamittels Artemisinin“, so Noël. „Ein solcher solarer Produktionsansatz ist von hohem Interesse für Produkte mit hoher Wertschöpfung, wie Feinchemikalien, Pharmaka und Duftstoffen. Er käme insbesondere auch Ressourcen armen Ländern zugute.“