Nachhaltige Synthesewege erforschen Chemischer Baukasten auf Holzbasis

In der Großindustrie hängen viele Reaktionswege an Erdöl oder Erdgas als Ausgangsstoff. Für eine nachhaltigere Chemie erforscht ein Team der Uni Würzburg alternative Routen, die auf Holz basieren. Das daraus gewonnene Furan lässt sich beispielsweise zu Polymeren verknüpfen.

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Würzburg – 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.

In der Wissenschaft suchen Forscher 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.

Die Stärken und Schwächen der Furane

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 Basis der Schwefel-Kohlenstoff-Verbindung Thiophen haben sie u. a. 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, indem man sie mit dem Element Bor verknüpft. „Das ergibt Verbindungen, die bis zu 300 °C aushalten und über Monate hinweg von Licht unbeschadet bleiben“, sagt der Würzburger Chemiker Maximilian Fest, der seine Doktorarbeit bei Chemieprofessor Helten macht.

Nachhaltige Alternative für die organische Elektronik

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 Heltens Arbeitsgruppe entwickelt werden. „Bei der Polymerisation von Bor und Furanen, aber auch bei der Synthese rein organischer Polymere, entstehen häufig sehr bedenkliche Abfallprodukte“, sagt der Gruppenleiter. „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“, führt Helten aus.

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. 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 Helten. Auch als Katalysatoren für chemische Reaktionen oder als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus kommen diese Polymere in Frage.

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