Wie energieärmeres Rotlicht die Photokatalyse nachhaltiger machen könnte

Selen erweitert das Einsatzspektrum organischer Photokatalysatoren und eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltigere chemische Synthese

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Arbeitsgruppe von Javier Mateos an der Universität Wien hat gemeinsam mit der Universität Ferrara eine neue Strategie entwickelt, um chemische Reaktionen mit energieärmerem Rotlicht anzutreiben. Der Ansatz beruht auf dem Einbau von Selen in etablierte organische Strukturen. Das Selenatom wirkt dabei wie ein Prisma: Es erweitert das Absorptionsspektrum der Verbindungen, sodass diese verschiedene Farben des sichtbaren Lichts – darunter auch Rotlicht – aufnehmen und deren Energie für chemische Reaktionen nutzen können. So entstehen robuste, vollständig organische und gut skalierbare Photokatalysatoren, die eine Vielzahl chemischer Reaktionen ermöglichen. Die Ergebnisse wurden im renommierten Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.

Licht wird in der Chemie bereits seit mehr als hundert Jahren eingesetzt, um Reaktionen anzutreiben. Ähnlich wie bei der Photosynthese wird dabei Lichtenergie in chemische Energie umgewandelt. „Bisher beruht die Photokatalyse meist auf violettem oder blauem Licht. Diese Wellenlängen dringen jedoch nur begrenzt in Reaktionslösungen ein, was die Übertragung der Verfahren auf größere Maßstäbe erschwert“, erklärt Studienleiter Javier Mateos von der Universität Wien.

Deshalb richtet sich das Interesse zunehmend auf energieärmeres Licht. Es kann tiefer in Reaktionsmischungen eindringen und gleichzeitig unerwünschte Nebenreaktionen verringern. Zwar existieren bereits zahlreiche organische Photokatalysatoren – also Moleküle, die ausschließlich aus nichtmetallischen Elementen bestehen –, die blaues oder violettes Licht nutzen. Vergleichbare Systeme für Rotlicht sind jedoch bislang selten und beruhen häufig auf Schwermetallen.

Selen verschiebt das Absorptionsspektrum

„Bei metallhaltigen Photokatalysatoren ersetzt man häufig ein leichteres Metall durch ein schwereres, um die Nutzung energieärmeren Lichts zu ermöglichen“, erklärt Javier Mateos. „Wir wollten herausfinden, ob sich dieses Prinzip auch auf nichtmetallische Elemente übertragen lässt.“

Dazu verglichen die Forschenden verwandte Moleküle mit zunehmend schwereren Nichtmetallen. Sie konnten zeigen, dass der Einbau von Selen die Lichtabsorption gezielt verändert und die Moleküle dadurch auch rotes Licht nutzen können. Aus diesen Erkenntnissen leiteten sie neue Prinzipien für die Entwicklung leistungsfähiger organischer Photokatalysatoren ab.

Ein neuer Ansatz mit breitem Anwendungspotenzial

Die entwickelten Photokatalysatoren funktionieren nicht nur mit blauem Licht, sondern auch mit violetten, grünen, orangefarbenen und roten LEDs. Damit eignet sich der Ansatz für eine große Bandbreite chemischer Reaktionen. Dass die Katalysatoren über nahezu das gesamte sichtbare Lichtspektrum aktiv sind, zeigt, dass der Einbau von Selen nicht auf eine einzelne Reaktion oder Wellenlänge beschränkt ist: Er stellt ein allgemein anwendbares Designprinzip für organische Photokatalysatoren dar.

Besonders bemerkenswert ist, dass sich Reaktionen, die bisher energiereiches blaues Licht erforderten, nun auch mit energieärmerem Rotlicht durchführen lassen.

Perspektiven für eine nachhaltigere Chemie

Die Ergebnisse eröffnen die Perspektive, künftig zahlreiche chemische Reaktionen, die bislang energiereiches blaues Licht benötigen, stattdessen mit energieärmerem Rotlicht durchzuführen. Dadurch könnte die eingesetzte Energie in der chemischen Synthese effizienter genutzt werden.

Zusammenfassung

• Photokatalysatoren, die Rotlicht nutzen können, gelten als wichtiger Schritt hin zu einer energieeffizienteren Photokatalyse.
• Durch den Einbau von Selen wird das Absorptionsspektrum organischer Molekülgerüste erweitert, sodass sie blaues, grünes, orangefarbenes und rotes Licht nutzen können.
• Die neuen Photokatalysatoren ermöglichen erstmals eine Reihe von Reaktionen unter energieärmerem Rotlicht, die bisher blaues Licht erforderten.
• Der Ansatz eröffnet neue Perspektiven für eine nachhaltigere und effizientere Nutzung von Licht in der chemischen Synthese.

Die Ergebnisse entstanden im Rahmen des ASEA-UNINET-Projekts „Se-DOX“ sowie des vom FWF geförderten Projekts „THREE“.

Originalpublikation:

Suwanan Uipanit, Till Schreyer, Kirill Zhiliaev, Mirco Natali, Javier Mateos (2026).
Selenoxanthylium Salts – Organic Photocatalysts for Low-Energy Photoredox Catalysis. In Journal of the American Chemical Society.
DOI: 10.1021/jacs.6c13607