Wissenschaft + Forschung

Blickpunkt Biowissenschaften

Tausende pharmakologisch aktive Substanzen werden regelmäßig genutzt und gelangen somit in die Umwelt. Im Gegensatz zu ihrer Sicherheit für Patient:innen sind die Kollateralschäden in der Biosphäre wenig erforscht.Seit Anfang des 20. <link href="#nadc20244145385-fig-0001">Jahrhunderts hat die Behandlung von Krankheiten mit neu entwickelten Medikamenten die Medizin revolutioniert, die Lebenserwartung verlängert und Seuchen zurückgedrängt. Heute stehen mehr als 1900 Wirkstoffe für menschliche Patent:innen zur Verfügung. Obwohl sie teilweise verstoffwechselt werden, landen Teile der Ursprungssubstanz sowie Abbauprodukte meist im Urin und somit im Abwasser. Nicht genutzte Medikamente und Produktionsabfälle gelangen zusätzlich über die Müllentsorgung in die Umwelt.<figure xml:id="nadc20244145385-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3cdgSPj7TixCd3UYCgyy"><figcaption><label>Abb.1: </label>Bild: Leigh Prather / Adobe Stock</figcaption></figure></figure>Im Abwasser lassen sich mit den analytischen Methoden, die unter anderem zur vorsorglichen Überwachung in der Coronavirus-Pandemie dienten – etwa LC-MS/MS –, etliche Wirkstoffe nachweisen. Neben Medikamenten finden sich illegale Drogen wie Kokain, was hilft, den Drogenkonsum in Städten oder bei Festivals zu ermitteln. Wenig ist hingegen darüber bekannt, welche Wirkstoffe in welchem Umfang nach der Abwasseraufbereitung mit dem geklärten Wasser – oder, schlimmer noch, mit ungeklärtem Wasser – in die Umwelt gelangen und welche Schäden sie dort anrichten.<h2 type="main">Wirkstoffe in Flüssen</h2>Die erste weltweite Untersuchung der Auswirkungen von Pharmawirkstoffen auf Ökosysteme in Flüssen erschien im Jahr 2022. John Wilkinson und Alejandra Bouzas-Monroy von der Universität York in England haben zusammen mit Kolleg:innen aus anderen Ländern nach 61 Pharmawirkstoffen gesucht, und zwar in Proben von 1052 Entnahmestellen an 258 Flüssen in 104 Staaten auf allen Kontinenten.1) Zu den nachgewiesenen Substanzen zählten etwa das Malariamedikament Artemisinin, Carbamazepin gegen Epilepsie, das Beruhigungsmittel Diazepam, das Schmerzmittel Paracetamol, das Antibiotikum Trimethoprim sowie die Alltagsdrogen Nikotin und Koffein.Den Ergebnissen zufolge gefährden an mehr als einem Viertel der untersuchten Entnahmestellen die Wirkstoffe die Gesundheit von Menschen, der Umwelt oder beidem. Diese Schlussfolgerung beruht auf vorläufigen Auswertungen, bei denen nachgewiesene Konzentrationen mit kritischen Umweltkonzentrationen und mit den beim Menschen als harmlos eingestuften Konzentrationen verglichen wurden. Nicht für alle Substanzen gibt es Vergleichswerte in der Literatur.In einer eingehenderen Auswertung der Daten verglichen Bouzas-Monroy und andere die Befunde mit ökotoxikologischen Kriterien.2) Wie sie dabei herausfanden, gefährdeten an 461 der 1052 Entnahmestellen (43,5 %) die Wirkstoffkonzentrationen dort ansässige Arten. Die bedenklichen Substanzen repräsentieren verschiedene Wirkstoffkategorien und wirken dementsprechend unterschiedlich auf Organismen: Das reicht von akuter Giftwirkung bis hin zu subtilen Verhaltensänderungen, was langfristig die Überlebensfähigkeit von Populationen und Arten infrage stellen kann. Die wenigen bisher ausgeführten Untersuchungen solcher Auswirkungen geben nur einen ersten Eindruck dessen, was passieren kann.<h2 type="main">Spezifische Schäden</h2>Antibiotika sind ein Sonderfall. Hier ist seit Jahren bekannt: Die Nutzung dort, wo sie nicht unbedingt nötig sind – etwa in der Landwirtschaft –, beflügelt die Verbreitung von Resistenzgenen in der Umwelt. Und neue Antibiotika zu entwickeln dauert zu lange, um mit den Resistenzen Schritt zu halten. Deshalb besteht die große und dringliche Gefahr, dass wir innerhalb weniger Jahrzehnte die gewohnte Schutzwirkung der Antibiotika verlieren und bakterielle Infektionen wieder ein ebenso großes Problem werden, wie sie es bis Anfang des 20. Jahrhunderts waren.3)<h2 type="main">Schmerzmittel und anderes</h2>Bei anderen Wirkstoffen gibt es nur gelegentlich einen Einblick, was sie in der Natur bewirken. Das auch bei Tieren als Entzündungshemmer verwendete Schmerzmittel Diclofenac ist ein Beispiel. Es diente in Indien zur Behandlung von Rindern. Da diese dort oft eines natürlichen Todes sterben und ihre Kadaver von Geiern entsorgt werden, erhielten die Geier toxische Dosen des Wirkstoffs. Mehrere Arten der Gattung Gyps waren nahezu ausgestorben, bevor das Medikament im Jahr 2005 verboten wurde. Weil die wenigen Geier ihrer Entsorgungsaufgabe nicht mehr flächendeckend nachkommen konnten, vermehrten sich unkontrolliert Aasfresser wie Ratten und Wildhunde. Unter diesen breitete sich die Tollwut aus, an der dann 500 000 Menschen starben. Mittlerweile ist Diclofenac ein Schulbeispiel dafür, wie sehr ein einzelner Wirkstoff der Gesundheit von Mensch und Umwelt schaden kann.Die Krise rund um die Wirkung von Neonicotinoiden auf Bienen und Hummeln ist ein Beispiel dafür, dass ein Wirkstoff nicht akut toxisch sein muss, um Schaden anzurichten. Selbst eine leichte Gedächtnisstörung kann die ökologische Funktion der bestäubenden Insekten zum Entgleisen bringen. Ähnlich subtile Effekte sind von psychoaktiven Substanzen zu erwarten, die nach menschlicher Nutzung in die Umwelt gelangen – von Kaffee bis Kokain.In geklärtem Wasser aus tschechischen Kläranlagen sind Methamphetaminreste nachweisbar. Ausgehend von dieser Beobachtung hat die Arbeitsgruppe von Pavel Horký an der Tschechischen Agraruniversität Prag untersucht, wie diese Droge auf die dort heimische Forelle (Salmo trutta) wirkt. Methamphetamin ist ein anregender Wirkstoff, der bei der Behandlung einer Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) zum Einsatz kommt, aber vor allem als Partydroge benutzt wird. Das Hydrochlorid ist das besonders leicht süchtig machende Crystal Meth. Die Forscher:innen untersuchten das Verhalten der Forelle bei Methamphetamin-Konzentrationen, wie sie in Flüssen stromab von Kläranlagen vorkommen: Die Fische hatten Anzeichen einer Sucht nach dem Wirkstoff.4)Die Forellen zeigten Entzugserscheinungen und strebten aktiv nach der Droge. Diese Verhaltensweisen sind in freier Natur problematisch, weil das Drogen-suchende Verhalten andere, lebenswichtige Prozesse beeinträchtigen kann. Darüber hinaus verleitet es die Forellen, zur Drogenquelle zurückzukehren, also zu den Einflüssen von Kläranlagen, wo sie dann weiteren Gefahrstoffen ausgesetzt sind.<h2 type="main">Ecstasy</h2>Eine andere Studie befasste sich mit dem Methamphetamin-Derivat MDMA (Ecstasy) und Tintenfischen. Die Abstammungslinien von Mollusken und Säugetieren trennten sich vor mehr als 500 Millionen Jahren. Tintenfische gelten zwar mittlerweile als ebenso intelligent wie viele Säugetiere, aber ihr Nervensystem ist völlig anders organisiert als das von Mäusen und Menschen.5) Deshalb waren Eric Edsinger und Gul Dolen überrascht, als sie bei Genomstudien am Kraken Octopus bimaculoides fanden, dass dieser denselben Ecstasy-Rezeptor herstellt wie wir. Mit einem Verhaltensexperiment demonstrieren die Autoren daraufhin: Auch der Tintenfisch wird mit Ecstasy seinen Artgenossen gegenüber aufgeschlossener als ohne.6)Anna Capaldo von der Universität Neapel hat in mehreren Studien beschrieben, wie Kokain auf Fische wirkt. Die Konzentrationen entsprechen dabei denen, wie sie in der Umwelt vorkommen. Besonders beschäftigte sich Capaldo mit dem europäischen Aal (Anguilla anguilla). Chronische Belastung des Wassers mit Kokain führt bei den Aalen zu etlichen anatomischen Veränderungen, etwa an ihren Kiemen, ihren Skelettmuskeln und im Fortpflanzungssystem. Diese Veränderungen könnten langfristig das Überleben der Art gefährden.7)<h2 type="main">Alternativen suchen</h2>Kokain ist eine der am schnellsten abhängig machenden Drogen, und der Kampf gegen diese Droge und ihre Verbreitung erweist sich seit Jahren als aussichtslos. Allerdings wird die Droge in der Natur rasch abgebaut – im Gegensatz zu vielen anderen Wirkstoffen.Tomas Brodin von der Schwedischen Landwirtschaftlichen Universität in Umeå und Kolleg:innen haben zu einem Umdenken in der Pharmaindustrie aufgerufen.8) Man müsse dringend weniger umweltgefährdende Wirkstoffe entwickeln, die bei gleicher Wirksamkeit weniger Schaden in der Umwelt anrichten.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244145385-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244145385-bib-0001">1 J. L. Wilkinson, A. B. A. Boxall, D. W. Kolpin et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2022, 119, e2113947119</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0002">2 A. Bouzas-Monroy, J. L. Wilkinson, M. Melling, A. B. A. Boxall, Environ. Toxicol. Chem. 2022, 41, 2008</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0003">3 M. Groß, Nachr. Chem. 2022, 70(1), 62</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0004">4 P. Horký, R. Grabic, K. Grabicová, B. W. Brooks et al., J. Exp. Biol. 2021, 224, jeb242145</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0005">5 M. Groß, Nachr. Chem. 2015, 63, 1186</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0006">6 E. Edsinger, G. Dölen, Curr. Biol. 2018, 28, 3136</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0007">7 A. Capaldo, F. Gay, M. Lepretti, G. Paolella et al., Sci. Total Environ. 2018, 640 und 862</li><li xml:id="nadc20244145385-bib-0008">8 T. Brodin, M. G. Bertram, K. E. Arnold et al., Nat. Sustain. 2024, 7, 949</li></ul>

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Pharmazeutika als Umweltproblem

Tausende pharmakologisch aktive Substanzen werden regelmäßig genutzt und gelangen somit in die Umwelt. Im Gegensatz zu ihrer Sicherheit für Patient:innen sind die Kollateralschäden in der Biosphäre wenig erforscht.Seit Anfang des 20. Jahrhunderts hat die Behandlung von Krankheiten mit neu entwick...

Blickpunkt Anorganik

Werden bestimmte Materialien mit Licht bestrahlt, trennen sich in ihnen die Ladungen. Hält die Trennung lang genug, eignet sich das als Solarbatterie – ein Bauteil, das Sonnenenergie gleichzeitig verwertet und speichert. Nicht nur das: Manche der Substanzen können auch im Dunkeln Wasser spalten.Sonnenenergie ist eine nachhaltige Energiequelle, zumindest, wenn die Erdoberfläche der Sonne zugewandt ist. In der Nacht sieht es da im Wortsinn düster aus. Doch die Biologie nutzt Solarenergie rund um die Uhr: Bei Tag findet die Lichtreaktion der Photosynthese statt, bei Nacht arbeiten die dabei gebildeten chemischen Energieträger und Reduktionsmittel. Ähnlich verarbeiten neuerdings manche künstliche Materialien die Lichtenergie.<h2 type="main">Speichern statt nur einfangen</h2>Edmond Becquerel hat bereits im Jahr 1839 ein anderes Konzept entdeckt, mit dem sich Solarenergie umwandeln und nutzen lässt: den photovoltaischen Effekt. Strahlt die Sonne auf einen Halbleiter, regt Lichtenergie Elektronen in das Leitungsband an. Dabei entstehen Elektronen-Loch-Paare (<link href="#nadc20244142066-fig-0001">Abbildung 1) – und deren Trennung erzeugt elektrische Spannung. So generieren Photovoltaik-Anlagen Strom.<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/LEgc1ovSTqQ9lW6oiVvu"><figcaption><label>Abb.1: </label>Halbleiter und die Prozesse der lichtinduzierten Ladungstrennung in Elektron(e–)-Loch(h+)-Paare. Angeregte Elektronen lassen sich nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. V+ steht für Vakanz, M+ ist meist ein Alkalimetallkation.</figcaption></figure></figure>Die ladungsgetrennten Zustände im Aktivmaterial rekombinieren, daher beträgt deren Lebenszeit nur Nano- bis Millisekunden. Das bedeutet: ohne Licht kein Strom. Eine Photovoltaikanlage ist eben keine Batterie. Doch welche Möglichkeiten ergäben sich, wenn die Ladungstrennung in Materialien länger halten würde – Stunden oder gar Tage? Und sich Materialien mit Licht aufladen ließen?<h2 type="main">Getrennte Ladungen länger stabilisieren</h2>Zur Ladungstrennung sollte die Bandlücke der Materialien etwa so groß sein wie die Energie des Lichts. Die angeregten Elektronen und die damit verbundenen Löcher lassen sich auf verschiedenen Wegen lange stabilisieren: über Redoxreaktionen innerhalb des Materials, lokale Defekte im Gitter oder an der Oberfläche sowie durch besondere Zustände in der Bandstruktur. Darüber hinaus können Ladungsträger, häufig Löcher, aus dem Material entfernt werden. Das geht durch elektrochemische Reaktion an Elektroden oder durch chemische Reaktionen mit Elektronendonoren, die mit der Oberfläche in Kontakt kommen. Die entfernten Löcher fehlen zur Rekombination mit den Elektronen, wodurch die Elektronen länger stabilisiert sind.Die Ladung des Materials muss jedoch ausgeglichen bleiben. Das bewerkstelligen beispielsweise Alkalimetallionen, die dazu allerdings frei beweglich oder schwach gebunden sein müssen.1) Durch Lichteinstrahlung steigt die Konzentration und Mobilität der Ionen und dementsprechend die Leitfähigkeit (Optoionik), da das Licht die Ladungen trennt und die erzeugten Ladungsträger schwächer im Gitter gebunden sind.2) Weiterhin können Defekte oder strukturelle Vakanzen verhindern, dass Löcher und Elektronen rekombinieren, also sich gegenseitig auslöschen – das stabilisiert beispielsweise Elektronen langfristig im Festkörper.3)<h2 type="main">Titandioxid: weiß, schwarz oder bunt</h2>Titandioxid ist eines der bedeutendsten Materialien, das diese Eigenschaften erfüllt und folglich über lange Zeit lichtinduzierte Ladungen speichern kann, vor allem Elektronen.Wie seit 1972 bekannt ist, kann TiO2 Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.4) Dazu ist UV-Licht nötig, das einige TiIV-Ionen zu TiIII reduziert, wobei Teilchen in der Umgebung oxidiert werden; beispielsweise reagieren Oxidionen zu molekularem Sauerstoff (<link href="#nadc20244142066-fig-0002">Abbildung 2). Dadurch entstehen Sauerstofffehlstellen. Diese Stellen dienen entweder direkt als katalytisch aktives Zentrum, oder die freigewordenen Elektronen werden auf einen Cokatalysator wie Pt übertragen, der dann das Wasser spaltet.<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ayTo2zpcTeJshOibu8tr"><figcaption><label>Abb.2: </label>Strukturen und Bandmodelle lichtaktiver Halbleiter: TiO2 (links), Wolframbronze (Mitte) und Carbonitride (rechts). Nach Lichtanregung speichern die Verbindungen auf unterschiedliche Art Elektronen. Abbildung inspiriert von Lit. 22.</figcaption></figure></figure>Damit TiO2 die Sonnenergie möglichst effizient nutzt, sollte es sichtbares Licht absorbieren. Reines TiO2 hat jedoch eine Bandlücke von 3 – 3,2 eV, absorbiert also nur UV-Licht und nutzt so nur rund 5 Prozent der Sonnenenergie. Doch TiO2 lässt sich so modifizieren, dass es auch sichtbares Licht absorbiert.5) Zum Beispiel lassen sich strukturelle Defektstellen (Sauerstoffvakanzen) einbauen,6) und partiell reduziertes TiIII wird stabilisiert. Diese Modifikation entsteht, wenn TiO2 bei hoher Temperatur einer Wasserstoffatmosphäre ausgesetzt wird. Dass das so veränderte TiO2 im sichtbaren Bereich absorbiert, zeigt sich an einer Blau- bis Schwarzfärbung des Materials. Die defektreiche Atomstruktur dieses TiO2-Materials ist bis heute schlecht verstanden, und die photokatalytische Aktivität ließ sich dadurch nicht so stark erhöhen wie erhofft.Statt TiO2 selbst sichtbares Licht absorbieren zu lassen, kann dies ein Farbstoff übernehmen, der an die Partikeloberfläche adsorbiert oder gebunden ist. Der Farbstoff wird mit sichtbarem Licht angeregt und überträgt Ladung oder Energie auf das Material. Dieses Prinzip nutzen Farbstoffsolarzellen mit TiO2 und organischen Farbstoffen.7)Mit Lichtabsorbern arbeitet auch die Photosynthese: Diese trennen in der Lichtreaktion die Elektron-Loch-Paare. Die freien Elektronen interagieren daraufhin mit Cokatalysatoren in einer photokatalytischen Reaktion und spalten so Wasser. Die Teile des Wassers wandern in das Nicotinamidadenindinukleotid NADH/H+ – frei werden Adenosintriphosphat (ATP) und Sauerstoff. In der Nacht nutzen die Zellen NADH/H+ als chemisches Reduktionsmittel und ATP als Energieträger in ihrer Dunkelreaktion. Dabei wird CO2 reduziert, und so werden Kohlenhydrate aufgebaut. Für diesen Prozess müssen Zellen Lichtenergie als chemische Energie speichern und umwandeln.<h2 type="main">Bronzen ohne Kupfer</h2>Eine weitere Stoffklasse, die Ladung aus Licht erzeugen und stabilisieren kann, sind Wolframbronzen. Bronzen heißen sie, weil sie metallisch aussehen und elektrisch leitfähig sind. Sie sind nichtstöchiometrische Verbindungen der Formel MxWOn; bekannt sind vor allem die, bei denen M für Alkalimetallionen steht. Je nach Zusammensetzung unterscheiden sich die Strukturen. Auch bei den Wolframbronzen erzeugt das Licht eine Ladungstrennung, woraufhin Wolfram teilweise reduziert wird.Die Löcher verschwinden wie bei TiO2 – sie reagieren mit umliegenden Molekülen oder setzen O2 aus dem Gitter frei. Die eingelagerten Alkalimetallionen wandern und neutralisieren so die stabilisierten Elektronen.<h2 type="main">Photoaktive Festkörper ohne Metall</h2>Carbonitride sind ein weiteres lichtaktives Material.8,9) Herstellen lassen sie sich beispielsweise aus Harnstoff oder Stickstoff-Kohlenstoff-Heterocyclen. Alkalimetalle wie Kalium sorgen durch Ladungsausgleich dafür, dass das gelbe Carbonitrid Kalium-Poly(heptazinimid)(K-PHI)-Elektronen stabilisiert – vorausgesetzt, ein Elektronendonor ist anwesend (Abbildung 2). Unter Sauerstoffausschluss bleiben die Ladungen tagelang getrennt. Das „lichtgeladene“ Material nimmt ein kräftiges Blau an, ähnlich wie das modifizierte TiO2. Um Elektronen zu stabilisieren, müssen nicht nur Löcher entfernt sein, sondern Kationen müssen durch das Material wandern, um die Ladung des lokal gespeicherten Elektrons auszugleichen.10)PHI-Systeme sind Halbleiter; sie katalysieren zusammen mit Cokatalysatoren wie Pt unter Lichtbestrahlung viele Reaktionen, darunter Wasserspaltung und Reduktion von CO2.9)<h2 type="main">Eingesperrte Moleküle</h2>Es gibt Materialien, die Aspekte oxidischer Halbleiter und organischer Farbstoffe vereinen: metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs).Manche MOFs enthalten mehrkernige Titan-oxo-Cluster, die mit Carboxylatliganden vernetzt sind. Sie färben sich blau, wenn sie bestrahlt werden und ein Elektronendonor anwesend ist. Die Farbe kommt ähnlich wie bei TiO2 daher, dass TiIV zu TiIII reduziert wird, welches sichtbares Licht absorbiert. Im MOF lässt sich durch die Auswahl der organischen Linker einstellen, Licht welcher Wellenlänge das MOF absorbiert und wie effizient: Dazu werden die Carboxylatliganden funktionalisiert.11)In anderen MOFs lässt sich die Ladungen auch über die Liganden speichern. Besonders interessant ist hier das Dicarboxylat in Lehns Re-Bipyridin-Komplex ([Re(bpy)(CO)3Cl]). Nachdem dort die Ladung photochemisch getrennt worden ist, stabilisiert dieser molekulare Baustein Elektronen in Form eines bpy-Radikals oder katalysiert Reaktionen wie die Reduktion von CO2 zu CO.Die Geometrie des molekularen Komplexes in Lösung ist für die Katalyse nicht optimal. Sie lässt sich aber ändern, indem der Komplex in eine Al- oder Zr-basierte Gerüstverbindung eingebaut wird (<link href="#nadc20244142066-fig-0003">Abbildung 3).12) Außerdem isolieren die inerten Knotenpunkte des Gerüsts die lichtgeladenen Komplexe und sorgen so für einen langlebigen Zustand. Wie neue Arbeiten zeigen, lässt sich dasselbe auch mit Mn-Komplexen in Al-basierten MOFs erreichen.13)<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/TXUmuHC3T4aCgWP165CH"><figcaption><label>Abb.3: </label>Lichtaktive metallorganische Gerüstverbindungen. Gespeichert wird die Ladung entweder im anorganischen Cluster (links) oder im (metall-)organischen Linker (rechts). Im linkerzentrierten System ist ein Komplex geometrisch stabilisiert, indem er in das Gerüst eingebaut wurde. ED = Elektronendonor.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Dunkle Photokatalyse, helle Batterie</h2>Damit sich lichtaktive Materialien direkt für die Photokatalyse nutzen lassen, müssen möglichst viele Photonen zu Ladungstrennungen führen; außerdem muss der angeregte Zustand zumindest für die reaktionsrelevante Zeit (Piko- bis Nanosekunden) stabil sein, sodass er nicht während des Katalyeszyklus zerfällt. Was passiert aber, wenn die Ladungstrennung deutlich länger stabilisiert wird – Minuten bis Tage? Dann lassen sich die stabilisierten Elektronen auch ohne Direktbestrahlung für elektrochemische oder katalytische Reaktionen nutzen.1) Diese „dunkle Photokatalyse“ spiegelt in gewisser Weise die Dunkelreaktion der Photosynthese wider.14) In der dunklen Photokatalyse agiert das lichtgeladene Material als Katalysator, als Reduktionsmittel oder beides.Bei allen genannten Materialien sind die lichtgeladenen Zustände katalytisch aktiv, benötigen jedoch oft einen Cokatalysator. Lichtgeladenes TiO2 etwa spaltet im Dunklen Wasser, wenn es mit Pt- oder Ag-Nanopartikeln versehen ist.15) Gleiches gilt für K-PHI-Systeme16) und Ti-MOFs mit Pt-Nanopartikeln11) als Cokatalysator.<h2 type="main">Die Solarbatterie</h2>In den genannten Systemen setzt Lichtbestrahlung Elektronen frei. Das ähnelt dem elektrischen Aufladen einer Batterie – auch dort werden Elektronen in das Material eingetragen. Wird dieser Mechanismus in eine photoelektrochemische Zelle eingebaut, lässt er sich für eine Solarbatterie nutzen – Solarzelle und Batterie in einem Bauteil.17) Diese setzt sich zusammen aus dem lichtaktiven Material, einer transparenten Photoelektrode, einem Elektrolyten und einer elektrochemischen Elektrode.18) Ist beispielsweise K-PHI das Aktivmaterial, kommt eine Schicht mit Lochleitern zum Einsatz. Die Lichtreaktion wird hauptsächlich durch Rekombination ineffizient. Die Lochleiter sorgen dafür, dass die Elektronen schnell von den Löchern getrennt werden, und Elektronen sowie Löcher werden getrennt stabilisiert.19) So ein Zelltyp lässt sich selbst in wässrigen Elektrolytsystemen betreiben.18) Die Kaliumionen in Elektrolyt und Elektrode, die zum Ladungsausgleich nötig sind, müssen mobil sein. Li-dotiertes TiO2 folgt dem gleichen Solarbatteriekonzept wie K-PHI.20) Insgesamt ist die Lichtabsorption der Solarbatterie weniger effizient verglichen mit Photovoltaik-Zellen, und die Geräte speichern weniger Strom als herkömmliche Batterien.<h2 type="main">Weniger effizient, also weniger gut?</h2>Warum also nicht einfach eine Photovoltaikzelle über Kabel an eine Li-Ionen-Batterie stecken? Der Vorteil der Solarbatterie liegt darin, flexibel Energie zu speichern und in einer einzigen Zelle zu transformieren (<link href="#nadc20244142066-fig-0004">Abbildung 4): Sie kann bei Sonnenbestrahlung sowohl als Solarzelle Geräte antreiben und ohne Nutzer als Batterie fungieren. Im Dunklen lässt sich die Zelle elektrisch entladen oder laden. Somit agiert eine Solarbatterie je nach Bedarf als Energieproduzent, Speichermedium oder eben beides gleichzeitig, und das in einem relativ kompakten und simplen Zellaufbau.21)<figure xml:id="nadc20244142066-fig-0004"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3hd3otmVQiGs813KEcK1"><figcaption><label>Abb.4: </label>Aufbau einer photo-elektrochemischen Zelle, die als Solarzelle, als Solarbatterie oder als elektrochemische Batterie fungieren kann. Als lichtdurchlässige Elektroden dienen Glassubstrate mit indiumdotierter Zinnoxidschicht, als Aktivmaterial ein Carbonitrid (K-PHI) und als Lochspeicher Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS). Inspiriert von Lit. 21.</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Dunkel ins Licht bringen</h2>Die aufgeführten und andere Materialien gehören zwar zu verschiedenen Stoffgruppen und werden unterschiedlich hergestellt, ihre Mechanismen bei Lichtbestrahlung ähneln sich jedoch.21) Wie die Mechanismen genau ablaufen, ist Teil der aktuellen Grundlagenforschung. Besonders die Rolle von Strukturdefekten in Halbleitern und die Stabilisierung aktiver Moleküle in Gerüstverbindugen bieten noch viele offene Fragen. Fraglich ist zum Beispiel, wie dort Lichtanregung und Ladungstransport zusammenspielen, und wo die Ladungen im Material wie vorliegen. Die genannten Konzepte der dunklen Photokatalyse und Solarbatterie zeigen einen interessanten Ansatz, diese Effekte zu nutzen.22) Bis heute sind die neuen Materialien weniger effizient als die etablierten. Das ließe sich aber angehen, wenn Defekte im Kristallgitter und auf der Oberfläche kontrolliert würden, wenn in Gerüstverbindungen molekulare Bausteine verbessert würden, vor allem aber wenn die Mechanismen besser verstanden würden. Wenn Forschende ihre Materialien zum Sonnetanken nach draußen legen, kriegen diese dann ja vielleicht auch ein bisschen Farbe.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Werden bestimmte Materialien mit Licht bestrahlt, trennen sich die Ladungen und können bis zu tagelang getrennt bleiben.Dazu gehören TiO2 und Carbonitride, und neuerdings verbessern Gerüstverbindungen die Lichtabsorption und Ladungstrennung.Die Technik nutzen Solarbatterien und manche Photokatalysatoren, die beispielsweise Wasser spalten.Die Beiträge zur Serie Blickpunkt Anorganik verfassen seit Juni 2024 im Wechsel Christina Birkel und Simon Krause.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag hat Simon Krause verfasst. Er ist seit November 2021 unabhängiger Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und forscht an lichtresponsiven porösen Materialien und Molekülen. Im Sommer bevorzugt er kühlen Schatten mit ein bisschen Sonne, aber ohne TiO2 im Hautschutz.<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/O9ErqVo6RdyEyTl6vfJe"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142066-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142066-bib-0001">1 A. Rogolino, O. Savateev, Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2305028</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0002">2 G. Y. Kim, A. Senocrate,; T.-Y. Yang, G. Gregori, M. Grätzel, J. Maier, Nat. Mater. 2018, 17, 445</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0003">3 A. Senocrate, E. Kotomin, J. Maier, Helv. Chim. Acta 2020, 103</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0004">4 A. Fujishima, K. Honda, Nature, 1972, 238, 37</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0005">5 J. Schneider,M. Matsuoka, M. Takeuchi et al., Chem. Rev. 2014, 114, 9919</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0006">6 X. Chen, L. Liu, P. Y. Yu, S. S. Mao, Science 2011, 331, 746</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0007">7 B. O’Regan, M. Grätzel, Nature 1991, 353, 737</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0008">8 Y. Takahashi, T. Tatsuma, Electrochem. Commun. 2008, 10, 1404</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0009">9 C. M. Pelicano, M. Antonietti, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202406290</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0010">10 Z. Chen, A. Savateev, S. Pronkin et al., Adv. Mater. 2017, 29, 1700555</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0011">11 Y. Pan, J. Wang, S. Chen et al., Chem. Sci. 2022, 13, 6696</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0012">12 P. M. Stanley, F. Sixt, J. Warnan, Adv. Mater. 2022, 35, 2207280</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0013">13 S. Wu, P. M. Stanley, S. N. Deger, M. Z. Hussain, A. Jentys, J. Warnan, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202406385</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0014">14 V. W. Lau, D. Klose, H. Kasap, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 56, 510</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0015">15 H. H. Mohamed, R. Dillert, D. W. Bahnemann, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12163</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0016">16 H. Schlomberg, J. Kröger, G. Savasci, Chem. Mat. 2019, 31, 7478</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0017">17 Q. Zeng, Y.; Lai, L. Jiang et al., Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903930</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0018">18 F. Podjaski, J. Kröger, B. V. Lotsch, Adv. Mater. 2018, 30, 1705477</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0019">19 A. Gouder, L. Yao, Y. Wang, Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2300245</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0020">20 C. Andriamiadamanana, I. Sagaidak, G. Bouteau, C. Davoisne, C. Laberty-Robert, F. Sauvage, Adv. Sustain. Syst. 2018, 2, 1700166</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0021">21 A. Gouder, F. Podjaski, A. Jiménez-Solano, J.Kröger; Y. Wang, B. V. Lotsch, Energy Environ. Sci. 2023, 16, 1520</li><li xml:id="nadc20244142066-bib-0022">22 F. Podjaski, B. V. Lotsch, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2003049</li></ul>

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Pharmazeutika als Umweltproblem

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