Nachhaltige Chemie auf Basis von Holz

Manche Wanderer tragen ein kleines Solarkraftwerk mit sich herum: An ihrem Rucksack ist eine Folie befestigt, die Sonnenlicht in Strom umwandelt. So können sie unterwegs ihr Handy aufladen. Flexible, dünne und leichte Solarpanels lassen sich auch auf Outdoor-Kleidung anbringen oder auf gewölbte Oberflächen kleben – etwa auf die Dächer von Wohnmobilen.

Derartige Solarzellen fangen die Energie der Sonne nicht mit kristallinem Silizium ein, sondern mit speziellen organischen Materialien. Leider werden diese Materialien bislang aus Erdöl oder Erdgas hergestellt – und das ist nicht im Sinne der Nachhaltigkeit.

Die Wissenschaft sucht darum nach Alternativen. Das Team um Chemieprofessor Holger Helten von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg hat dabei den nachwachsenden Rohstoff Holz im Blick. Aus Holz lassen sich Furane gewinnen, und diese ringförmigen Moleküle eignen sich sehr gut für die organische Elektronik: Sie kommen für Solarzellen, Leuchtdioden, Displays oder elektronische Schaltkreise in Frage.

Bor stabilisiert Polymere auf Furanbasis

Entscheidend ist, dass Materialien auf Furanbasis für viele Anwendungen wesentlich bessere Eigenschaften mitbringen als die meisten bislang in der organischen Elektronik verwendeten Materialien. Verglichen mit Standardmaterialien auf Thiophenbasis haben sie unter anderem eine stärkere Leuchtkraft und sind besser löslich – das vereinfacht ihre Verarbeitung und spart Lösungsmittel. Außerdem sind Furane biologisch abbaubar, weshalb sich solche Materialien vermutlich recyceln lassen.

Leider sind viele Materialien auf Furanbasis sehr labil; in Anwesenheit von Sauerstoff und Licht zerfallen sie schnell. Doch sie lassen sich stabilisieren, wenn man sie mit dem Element Bor verknüpft. „Das ergibt Verbindungen, die bis zu 300 Grad Celsius aushalten und über Monate hinweg von Licht unbeschadet bleiben“, sagt der Würzburger Chemiker Maximilian Fest, der seine Doktorarbeit bei Professor Helten macht.

Umweltschonende Syntheseverfahren im Einsatz

Die Erforschung borhaltiger Polymere steht noch in den Anfängen. Der JMU-Doktorand synthetisiert verschiedene neue Varianten aus Bor und Furanen und charakterisiert ihre Eigenschaften. Dabei setzt er auf umweltfreundliche Synthesemethoden, die in der Arbeitsgruppe seines Professors entwickelt werden.

Holger Helten erklärt, warum diese Verfahren die Umwelt schonen: „Bei der Polymerisation von Bor und Furanen, aber auch bei der Synthese rein organischer Polymere, entstehen häufig sehr bedenkliche Abfallprodukte. Oft sind das organische Zinnverbindungen, die für Mensch und Umwelt hochtoxisch sind. Bei unserem Ansatz sind keine Metalle nötig und es entstehen keine toxischen Abfälle.“

Sein Team will diese Syntheseverfahren weiter verbessern, sie noch nachhaltiger machen. Ein Ziel dabei ist es, die Zahl der Reaktionsschritte zu verringern – das spart Energie und Reagenzien.

Gefördert von der Bundesstiftung Umwelt

Bei all diesen Pluspunkten in Sachen Nachhaltigkeit ist es nicht verwunderlich, dass die Deutsche Bundesstiftung Umwelt das Dissertationsprojekt von Maximilian Fest fördert: Sie gewährt ihm über 2,5 Jahre ein Stipendium von monatlich 1.500 Euro plus Sachmittel.

Der Einbau von Bor in furanbasierte Polymere eröffnet über die organische Elektronik hinaus viele weitere Möglichkeiten. „Wir können damit zum Beispiel Sensoren bauen, die toxische Amine und andere Stoffe nachweisen“, sagt Professor Helten. Auch als Katalysatoren für chemische Reaktionen oder als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus kommen diese Polymere in Frage.

Zur Person: Professor Holger Helten

Nachhaltigkeit in der Chemie und die Erforschung anorganisch-organischer Hybridmaterialien: Das sind zwei Schwerpunkte im Team von Holger Helten, der Chemie an der JMU studiert hat. Nach Stationen an den Universitäten Bonn und Bristol (UK) ging Helten 2012 als Leiter einer Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), an die RWTH Aachen.

Dort leitete er später eine Heisenberg-Forschungsgruppe; 2019 wechselte er als Heisenberg-Professor an die JMU; hier leitet er den Lehrstuhl für Anorganische Chemie I. Mit den prestigereichen Heisenberg-Professuren fördert die DFG herausragende Forschende. Helten ist Mitglied der Fachgruppe „Nachhaltige Chemie“ in der Gesellschaft Deutscher Chemiker GDCh.

Kontakt

Prof. Dr. Holger Helten, Institut für Anorganische Chemie und Institut für nachhaltige Chemie und Katalyse mit Bor (ICB), Universität Würzburg, T +49 931 31-84086, holger.helten@uni-wuerzburg.de

Webseite Holger Helten