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Oberflächenaktive ionische Flüssigkeiten in Wasser © Katharina Schröder
Oberflächenaktive ionische Flüssigkeiten in Wasser © Katharina Schröder

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Flüssige Salze als überlegene Lösungsmittel

26.11.2018

Eine Forschungsgruppe um die Chemikerin Katharina Schröder aus Wien hat in einem vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekt untersucht, wie Mischungen aus exotischen Salzen und Wasser als Lösungsmittel für eine breite Palette von Anwendungen einsetzbar sind.

Salze sind bekannt für ihre Härte und ihren hohen Schmelzpunkt. Kochsalz etwa schmilzt erst bei ca. 800 Grad Celsius. Weniger bekannt ist, dass bestimmte Salze schon bei Raumtemperatur flüssig sind. Diese seltsamen und relativ neuen Materialien haben verschiedene ungewöhnliche Eigenschaften, die sie als Lösungsmittel, Elektrolyte oder für Materialanwendungen prädestinieren. Die Chemikerin Katharina Schröder von der Technischen Universität Wien hat nun im Rahmen eines vom Wissenschaftsfonds FWF finanzierten Projekts die Lösungseigenschaften verschiedener flüssiger Salze in Kombination mit Wasser untersucht und eine Forschungsgruppe zu dem Thema aufgebaut.

Lösungsmittel, die nicht verdampfen

Salze bestehen aus Ionen - das sind positiv und negativ geladene Atome oder Moleküle, die einander aufgrund ihrer unterschiedlichen Ladungen anziehen und allein dadurch zusammengehalten werden. Flüssige Salze werden daher auch "Ionische Flüssigkeiten" genannt. "In den letzten 20 Jahren stieg das Interesse an Ionischen Flüssigkeiten rasant, sowohl in der akademischen Forschung als auch in der Industrie", sagt Katharina Schröder im Gespräch mit scilog. "Besonders in der nachhaltigen Chemie sind sie interessant, weil sie nicht verdampfen." So gelangen keine Schadstoffe in die Atmosphäre. Außerdem sind Salze nicht brennbar, elektrisch leitend und haben noch eine Reihe weiterer Vorteile. Das hat auch die Aufmerksamkeit der Chemischen Industrie erweckt, wo Ionische Flüssigkeiten bereits in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden, etwa zur Entfernung von Quecksilber aus Erdgas. "Dieser Prozess läuft großtechnisch in Malaysia und wird weltweit lizensiert", berichtet Schröder.

Ionische Flüssigkeiten und Wasser

Ein Nachteil Ionischer Flüssigkeiten ist ihr hoher Preis, zumindest im Vergleich zu klassischen organischen Lösungsmitteln wie Aceton oder Methanol. Außerdem können Ionische Flüssigkeiten sehr dickflüssig sein, vergleichbar mit Honig, was ebenfalls Nachteile in der Verarbeitung mit sich bringt. Es stellte sich also die Frage, ob Ionische Flüssigkeiten irgendwie mit anderen Lösungsmitteln gemischt werden können. "Wasser ist natürlich aus Kosten- und Umweltschutzgründen ein gutes Lösungsmittel, hat aber den Nachteil, dass viele Substanzen sich darin nicht lösen lassen", sagt Schröder. Es stellte sich die Frage, ob Ionische Flüssigkeiten mit Wasser gemischt werden können, um die Vorteile beider Substanzen zu kombinieren. Konkret setzte die Wissenschafterin dabei auf sogenannte "oberflächenaktive" ionische Flüssigkeiten. Diese verhalten sich in Wasser ähnlich wie Seife und bilden zusammenhängende Strukturen, analog zu den von der Seife bekannten "Mizellen".

"Wir haben uns verschiedene Anwendungen mit diesen Mischungen angesehen", erklärt Katharina Schröder. "Was wir dabei gesehen haben, war, dass bestimmte Reaktionen in Mischungen aus Wasser und Ionischen Flüssigkeiten deutlich schneller ablaufen als in reinem Wasser oder in reinen ionischen Flüssigkeiten." So ließ sich die Menge an den teuren flüssigen Salzen teilweise auf ein Hundertstel reduzieren.

Oberflächenaktiv wie Seife

Entscheidend sei dabei die Oberflächenaktivität gewesen, sagt Schröder. "Die im Wasser gebildeten Strukturen zu erforschen war nicht ganz einfach und wir setzten auf Kooperationen", so die Forscherin. Involviert waren unter anderem die Gruppe "Dynamik Kondensierter Systeme", das Institut für Computergestützte Biologische Chemie an der Universität Wien und die Universität für Bodenkultur Wien. Dazu kamen internationale Kooperationen mit den Universitäten Regensburg, Ljubljana und Belfast.

"Nachdem die ersten Ergebnisse in der organischen Synthese sehr vielversprechend waren, haben wir uns verschiedene Anwendungen angesehen", erzählt die Chemikerin. Ein Beispiel ist die Extraktion eines teuren, in der Pharmazie wichtigen Stoffs, der aus dem Abfall von Olivenbäumen gewonnen wird. "Das war eine Kooperation mit Partnern in Portugal, wo in der Agrarindustrie große Mengen Blätter von Olivenbäumen anfallen. Wir haben einen neuen Prozess für die Extraktion der wertvollen Inhaltsstoffe erforscht, mithilfe Ionischer Flüssigkeiten." Nach der erfolgreichen Anwendung auf Naturstoffe hat Schröders Gruppe gezeigt, dass sich oberflächenaktive Ionische Flüssigkeiten auch erfolgreich in der Metallkatalyse oder zur Wasserspaltung anwenden lassen.

Durchbruch für Schröder

Das Projekt, das eine Laufzeit von vier Jahren hatte und Ende 2017 abgeschlossen wurde, bedeutete für Katharina Schröder den Durchbruch als Wissenschafterin. "Ich konnte damit meine ersten eigenständigen Doktoratsstudentinnen anstellen und so eine Forschungsgruppe aufbauen. Mit so einem Projekt steht und fällt eine Karriere", betont Schröder, die zu Beginn des Projekts eine befristete Stelle innehatte und inzwischen habilitiert ist.

Mittlerweile ist der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in verschiedenen Anwendungsbereichen durch zahlreiche national und international geförderte Projekte in ihrer Gruppe gut etabliert. In einem neuen FWF-Projekt, das auf einem Ergebnis des abgeschlossenen Projekts aufbaut, beschäftigt sich Katharina Schröder nun mit "chiralen" ionischen Flüssigkeiten, die wie die Milchsäuremoleküle in Joghurt linksdrehend oder rechtsdrehend sein können und genutzt werden könnten, um Substanzen in ihren linksdrehenden und rechtsdrehenden Anteil zu zerlegen oder diese selektiv herzustellen.

Zur Person

Katharina Schröder (geb. Bica) ist Chemikerin und assoziierte Professorin an der Technischen Universität Wien. Sie interessiert sich für Nachhaltige Chemie mit besonderem Fokus auf neue Katalyseprozesse mit alternativen Lösungsmitteln, die Rückgewinnung wertvoller Substanzen aus Biomasse oder Industrieschrott und die Verwertung von Kohlendioxid zu wertgesteigerten Produkten.

Publikationen

F. M.Cláudio, A. Cognigni, E. L.P.de Faria, A. J .D. Silvestre, R. Zirbs, M G. Freire and K. Bica: Valorization of olive tree leaves: Extraction of oleanolic acid using aqueous solutions of surface-active ionic liquids, Seperation and Purification Technology, 2018

Taskin, A. Cognigni, R. Zirbs, E. Reimhult and K. Bica: Surface-active ionic liquids for Palladium-catalyzed cross coupling in water: effect of ionic liquid concentration on the catalytically active species, RSC Advances, 2017 (pdf)

Cognigni, P. Gaertner, R. Zirbs, H. Peterlik, K. Prochazka, C. Schröder and K. Bica: Surface-active ionic liquids in micellar catalysis: impact of anion selection on reaction rates in nucleophilic substitution, Physical Chemistry Chemical Physics, 2016

Hejazifar, M. Earle, K. R. Seddon, S. Weber, R. Zirbs and K. Bica: Ionic liquid-based microemulsions in catalysis, Journal of Organic Chemistry, 2016

Quelle: FWF Newsletter

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