Ftalocyanines worden gebruikt bij de productie van hernieuwbare energie, detectie, nanogeneeskunde en meer. Onderzoekers van Aalto University hebben aangetoond hoe de kleurstof op een groenere manier kan worden geproduceerd die hoogkokende organische oplosmiddelen minimaliseert, door in plaats daarvan synthese in vaste toestand te gebruiken.

Organische (koolstofhoudende) kleurstoffen spelen een belangrijke rol in de natuur. Ze zijn bijvoorbeeld verantwoordelijk voor het transport van zuurstof en andere gassen in het lichaam (als onderdeel van hemoglobine) en het omzetten van zonne-energie in chemische energie in fotosynthese (chlorofyl).

Een klasse van kunstmatige organische kleurstoffen zijn ftalocyanines, die veel worden toegepast in industriële processen, detectie, nanogeneeskunde, zonnecellen en andere opto-elektronica. De productie van ftalocyanines is echter niet zonder problemen, zegt Eduardo Anaya, Aalto University Academy Research Fellow en een van de hoofdauteurs van de nieuwe studie.

"Ftalocyanines worden geproduceerd door veel oplosmiddelen te gebruiken, zoals dimethylamino-ethanol (DMAE). Het is bijtend, ontvlambaar, bioactief en schadelijk voor het milieu."

Anaya en collega's van Aalto University hebben aangetoond hoe ftalocyanines op een milieuvriendelijkere manier kunnen worden geproduceerd met synthese in vaste toestand. Hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition , werd gecategoriseerd als 'hot paper'.

De industrie in de Europese Unie alleen al gebruikt 10.000 ton DMAE per jaar voor veel verschillende processen. In deze nieuwe methode, geïntroduceerd door Aalto-onderzoekers, wordt de hoeveelheid oplosmiddel met meer dan 99% verminderd, zegt postdoctoraal onderzoeker Sandra Kaabel, een andere van de hoofdauteurs.

Het onderzoeksteam gebruikte ftalonitril als uitgangsmateriaal, een organische verbinding die veel wordt gebruikt bij de productie van kleurstoffen. Het werd eerst verwerkt met enkele druppels DMAE en een zinksjabloon door middel van kogelmalen, waarna het vaste reactiemengsel een week in een oven bij 55 °C of 48 uur bij 100 °C werd gerijpt.

"Het was fascinerend om te zien hoe de kleur van wit via groen naar diepblauw ging in de oven - je kon met eigen ogen zien hoe de methode werkt", zegt Kaabel. "Met solid-state methoden kunnen we chemicaliën produceren zonder de componenten van de reactie op te lossen."

Bij de traditionele methode wordt een oplosmiddel verwarmd tussen 160 en 250°C en de totale opbrengst is vrij laag in verhouding tot de gebruikte materialen en tijd. De milieuvriendelijke methode die door Aalto-onderzoekers is ontwikkeld, heeft de ruimte-tijdopbrengst verviervoudigd door het grootste deel van het oplosmiddel te verwijderen en de reacties bij een lagere temperatuur uit te voeren.

Voorbeeld uit de natuur, idee gebrouwen bij de koffie

De moleculaire structuur van ftalocyanine maakt het geschikt voor een breed scala aan toepassingen.

"De natuur is een inspiratiebron, die in de loop van miljoenen jaren organische kleuren voor veel verschillende doeleinden heeft gecreëerd", zegt Anaya. "We kunnen ze vastleggen zoals ze zijn en kleuren gebruiken in kunstmatige fotosynthese om bijvoorbeeld energie te produceren, of ideeën nog verder brengen."

Ideeën voor nieuwe biomateriaaloplossingen worden verfijnd in FinnCERES, een competentiecentrum dat wordt gedeeld door Aalto University en VTT Technical Research Centre of Finland. De onderzoeksgroep werkt binnen het FinnCERES-project dat bekend staat als SolarSafe om cellulosemateriaal te ontwikkelen dat zelfsteriliserend is door een reactie die wordt geïnitieerd door een kleurstof en licht en dat kan worden toegepast in de biogeneeskunde.

Zulke nieuwe ideeën ontstaan ​​door ontmoetingen, zowel binnen als buiten het lab.

"Het idee voor onze nieuwe manier om kleurstoffen te produceren kwam ook voort uit ons brainstormen in de koffiekamer, en toen begonnen we gewoon te experimenteren", zegt Daniel Langerreiter, de eerste auteur en een Ph.D. leerling in de groep. + Verder verkennen

Team gebruikt heet water om fotokatalysator te vormen