'Photonen fusionieren' - Entwicklung und Charakterisierung von hochreaktiven Annihilatoren für die Aufwärtskonversion von sichtbarem Licht zu UV(B)-Strahlung mit Anwendungen im Bereich von nachhaltigen Prozessen und Umweltschutz

Stipendiatin/Stipendiat: Till Zähringer

Viele Verfahren in den Bereichen des operativen Umweltschutzes, der regenerativen Energiequellen und ganz allgemein der „grünen Chemie“, d.h. dem Einsatz von Verfahren, die Ressourcen schonen und auf umweltschädliche Stoffe verzichten, sind noch immer auf umweltgefährdende UV-Lichtquellen angewiesen. Zu diesen Verfahren gehören die Aufreinigung von Abwasser, die photochemische Wasserspaltung, die Speicherung solarer Energie, die direkte Umwandlung von Lignin, sowie viele synthetische Reaktionsschritte von organischen Verbindungen. Hierfür werden umweltschädliche und ineffiziente Quecksilberlampen verwendet, die nicht dem Nachhaltigkeitsgedanken entsprechen. Trotz der akuten Nachfrage an UV-Lichtquellen liefert die LED-Technologie bisher keine zufriedenstellende Lösung. Dies gilt insbesondere für den energiereichen UV(B)-Bereich. Hier kann die Aufwärtskonversion von sichtbarem Licht durch den Mechanismus der sensibilisierten Triplett-Triplett-Annihilierung eine preiswerte und einfach einsetzbare umweltfreundliche Alternative zu konventionellen UV-Lichtquellen sein.

In der ersten Hälfte meiner Promotion sollen sowohl bekannte als auch neue UV-Annihilatoren für die Aufwärtskonversion charakterisiert werden und ein grundlegendes Verständnis ihrer Struktur und des Einflusses der Substituenten auf den Aufwärtskonversions-Mechanismus geschaffen werden. Weiterhin möchte ich die Effizienz der Systeme durch ein neues Konzept optimieren. Dabei sollen „Triplett-Mediatoren“ durch attraktive elektrostatische Wechselwirkungen die Effizienz mechanistischer Schlüsselschritte verbessern. Mittels Laserblitzlichtphotolyse sollen die zu Grunde liegenden komplexen Mechanismen vollständig untersucht werden sowie methodisch innovative und wegweisende photochemische Experimente durchgeführt werden. Insbesondere die solarbetriebene Aufwärtskonversion zu möglichst energiereicher UV(B)-Strahlung wird bei den Untersuchungen eine zentrale Rolle spielen. Die Erkenntnisse werden dazu dienen, neue Aufwärtskonversionssysteme mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln

In der zweiten anwendungsorientierten Hälfte meiner Promotion möchte ich die zuvor optimierten Systeme in eine feste Polymerstruktur einbinden und die so erhaltenen Materialien für (photo-)chemische Anwendungen ausnutzen. Dazu zählen insbesondere konkrete Probleme des Umweltschutzes wie z.B. die Zersetzung von Arzneimittelrückständen im Abwasser oder die Energiespeicherung durch die lichtgetriebene Erzeugung energiereicher Zwischenstufen, die die Energie nachgelagert und gezielt wieder abgeben können. Als ambitioniertes, aber auch realistisches Fernziel soll meine Doktorarbeit die theoretische Basis für weitere Verfahren verbreitern und damit beitragen, neue und umweltschonende bzw. nachhaltige Verfahren auf dem Gebiet der Photochemie zu etablieren.

Förderzeitraum:
01.07.2022 - 30.06.2025

Institut:
Johannes Gutenberg-Universität Mainz Department Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Christoph Kerzig

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Publikationen: