„Chemie, Chemikerinnen und Chemiker prägen unseren Alltag auf vielfältige Weise“, so Dr. Helen Pain, Geschäftsführerin der Royal Society of Chemistry. „Die Preisträgerinnen und Preisträger unserer Forschungs- und Innovationspreise stehen für die enorme Bandbreite und Bedeutung der chemischen Wissenschaften. Mit dem Centenary Prize zeichnen wir außergewöhnliche Persönlichkeiten aus, die unser Wissen erweitern und zu einer besseren Zukunft beitragen.“

 „Ich fühle mich durch diese Auszeichnung sehr geehrt“, sagt Professor Matthias Drieß. „Für mich bedeutet Chemie, die grundlegenden Prinzipien des Aufbaus von Stoffen und chemischen Reaktionen in belebter und unbelebter Natur zu verstehen und dieses Wissen für die Konstruktion von neuen chemischen Ausgangsmaterialien und ressourcenschonenden Prozessen zu nutzen. Die Auszeichnung bestärkt mich und meine Arbeitsgruppe darin, umweltschonende und effizientere Energiematerialien durch eine pfiffige Verknüpfung von Molekül- und Materialienchemie zu entwickeln.“

Möglichkeiten in der Siliziumchemie

Ein Schwerpunkt der Forschung von Matthias Drieß liegt auf der Entwicklung neuartiger Siliziumverbindungen mit Siliziumatomen in elektronisch ungewöhnlichen Strukturen. Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste und chemisch ähnlich zu Kohlenstoff, dem grundlegenden Element der organischen Chemie. Allerdings verbindet sich Silizium mit anderen Elementen weit weniger vielseitig als Kohlenstoff. Die Arbeitsgruppe von Drieß konnte zeigen, dass mit synthesechemischer Raffinesse trotzdem viele Verbindungen der organischen Chemie mit Silizium statt Kohlenstoff möglich sind und damit grundlegende Fragen der Chemie beantworten. Besonders bemerkenswert war die Realisierung der ersten stabilen „Silanone“, also Silizium-Analoga der Ketone. Die Herstellung einer bei Raumtemperatur stabilen Verbindung galt über mehr als 100 Jahre als eine der großen Herausforderungen der Siliziumchemie.

Darüber hinaus gelang der Arbeitsgruppe die Realisierung einer neuen Klasse von Siliziumverbindungen, der sogenannten Silylone, deren Existenz durch theoretische Berechnungen vorhergesagt wurde. Silylone besitzen ein hochreaktives Siliziumatom, das beispielsweise kleine Moleküle wie Ammoniak mit starken Stickstoff-Wasserstoff-Bindungen leicht spalten kann. Diese speziellen Fähigkeiten wurden bislang nur bei seltenen Edelmetallen wie Iridium beobachtet. Die Siliziumatome der Silylone eignen sich auch zur Dotierung von optoelektronischen Halbleitern, die als Licht-emittierende Dioden (LEDs) oder für kostengünstige Elektrolumineszenzkameras eingesetzt werden.

Nachhaltigere Katalysatoren

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten von Matthias Drieß liegt auf der Entwicklung neuer Katalysatoren im Rahmen des Exzellenzclusters UniSysCat an der TU Berlin. Dabei konnte die Arbeitsgruppe zeigen, dass zweiwertige Siliziumverbindungen, sogenannte Silylene, die Leistungsfähigkeit metallbasierter Katalysatoren stärker steigern als die bislang üblichen Phosphinverbindungen. Auf dieser Grundlage entwickelten die Forschenden hochselektive Katalysatoren für wichtige chemische Reaktionen. Besonders relevant ist dabei der Einsatz von nickelhaltigen Verbindungen, die teure Edelmetalle wie Palladium ersetzen könnten. Die Katalysatoren eignen sich für einen wichtigen Schritt bei der Herstellung zahlreicher chemischer Produkte wie Fette aus Ölen, Wirkstoffe in der Pharmaindustrie und organische Wasserstoffspeicher. Dies eröffnet Perspektiven für ressourcenschonendere und kostengünstigere chemische Prozesse.

Materialien für die Energiewende

Neben der Entwicklung neuartiger Siliziumverbindungen beschäftigt sich Matthias Drieß seit vielen Jahren allgemein mit der Herstellung innovativer Materialien für Energie- und Zukunftstechnologien. Dabei verbindet seine Forschung Methoden der Molekülchemie mit der Materialwissenschaft. Ein Beispiel ist die Entwicklung einer neuen Variante des transparenten und leitfähigen Materials Indium-Zinn-Oxid (ITO), das unter anderem in Flachbildschirmen, Solarzellen und elektronischen Bauteilen eingesetzt wird. Klassisches ITO besteht zu etwa 90 Prozent aus Indiumoxid und zu 10 Prozent aus Zinnoxid. Das Problem: Indium ist knapp bei gleichzeitig enorm steigendem Bedarf für ITO in der Optoelektronik. Der Arbeitsgruppe gelang es, den Anteil des vergleichsweise seltenen Rohstoffs Indium um zirka 50 Prozent zu reduzieren, ohne die elektrische Leitfähigkeit des Materials zu beeinträchtigen. Gleichzeitig zeigten dünne Schichten des Materials in elektrolumineszenten Bauelementen wie LEDs einen um rund 30 Prozent geringeren Energieverbrauch. Die Technologie wurde gemeinsam von der TU Berlin und dem Unternehmen Evonik patentiert und wird bereits im Pilotmaßstab eingesetzt.

Die Arbeitsgruppe konnte außerdem dünne Schichten von porösem ITO als leitfähige Elektroden herstellen, die mit molekularen oder enzymatischen Katalysatoren beladen werden können und so unter anderem auch in Bio-Brennstoffzellen Verwendung finden, die ohne das teure Edelmetall Platin auskommen. Darüber hinaus entwickelte das Team neuartige Katalysatoren für die Elektrolyse von Wasser - Prozess zur Erzeugung von Wasserstoff als Energieträger. Die Forschenden konnten hierfür Materialien entwickeln, die keine Edelmetalle enthalten und auch unter den rauen Bedingungen industrieller Prozesse über lange Zeit stabil bleiben.

Inspiration aus der Natur

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt von Matthias Drieß beschäftigt sich mit der Frage, wie sich Prozesse der Natur für technische Anwendungen nutzen lassen. Inspiriert von natürlichen Prozessen der Photosynthese entwickelten die Forschenden einen neuartigen Katalysator auf Basis des weit verbreiteten Elements Mangan. Mit seiner Hilfe lässt sich Wasser effizient spalten, wobei Elektronen freigesetzt werden. Diese können dann dazu verwendet werden, Kohlendioxid in wichtige Ausgangsstoffe für die chemische Industrie umzuwandeln und Wasserstoff herzustellen. Der bei der Spaltung des Wassers entstehende Sauerstoff kann zum Beispiel dazu verwendet werden, aus Hemizellulose von Hölzern hochwertigen Dieselkraftstoff zu erzeugen.

Quelle: Technische Universität Berlin