Chemie: Wissenschaftler stellen QLEDs aus Pflanzenresten her

Bisher werden Quantenpunkte für QLEDs aus Schadstoffen hergestellt. Das will ein Team aus Japan ändern.

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Reispflanze (Symbolbild): QLED ohne Schwermetalle
Reispflanze (Symbolbild): QLED ohne Schwermetalle (Bild: Daniel Caselli/AFP via Getty Images)

Landwirtschaftsabfälle zu Leuchtmitteln: Japanische Forscher haben ein Verfahren entwickelt, um aus den Schalen von Reis Rohstoffe für Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLED) zu gewinnen. So sollen die Leuchtmittel kostengünstig und umweltfreundlich produziert werden.

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Ausgangsmaterial für das Team von der Universität Hiroshima um Ken-ichi Saitow sind die Hülsen, die nach der Ernte von Reiskörnern entfernt werden. Beim Mahlen von Reis fallen weltweit jedes Jahr etwa 100 Millionen Tonnen Hülsenabfälle an. Diese enthalten Siliziumdioxid, das in poröses Silizium für die Quantenpunkte umgewandelt wird.

Im ersten Schritt werden die Reishülsen gemahlen und dann verbrannt. Übrig bleibt Siliziumdioxidpulver (SiO2). Dieses wird in einem Elektroofen erhitzt, in einer Reduktionsreaktion entsteht Siliziumpulver. Zuletzt werden die Körner des Siliziumpulvers durch Ätzen auf eine Größe von 3 Nanometern gebracht und ihre Oberfläche so behandelt, dass sie keine chemische Reaktion mehr eingehen.

Die Quantenpunkte leuchten orange-rot

Diese Körnchen werden zu Quantenpunkten, die im orange-roten Bereich mit einer hohen Lumineszenzeffizienz von über 20 Prozent leuchten. Daraus hat Saitows Team eine Quantenpunkt-LED gebaut. Als Anode diente ein Indium-Zinnoxid-(ITO)-Glassubstrat, auf das Schichten weiterer Materialien aufgebracht wurden, darunter auch eine Schicht aus den Silizium-Quantenpunkten. Die Kathode war eine Aluminiumschicht.

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"Weil typische Quantenpunkte oft giftige Materialien wie Kadmium, Blei oder andere Schwermetalle enthalten, wurden bei der Verwendung von Nanomaterialien häufig Umweltbedenken geäußert", sagte Saitow. "Der von uns vorgeschlagene Prozess und die Herstellungsmethode für Quantenpunkte minimieren diese Bedenken." Das Verfahren lasse sich auch in großem Maßstab umsetzen.

Das Team beschreibt das Verfahren in der Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering.. Im nächsten Schritt will die Gruppe die LEDs verbessern sowie in einer anderen als der orange-roten Farbe herstellen. Zudem will man erkunden, ob das Verfahren auch auf andere Pflanzen angewendet werden kann.

"Das ist das erste Mal, dass eine LED aus ungenutzten Reishülsen entwickelt wurde", sagte Saitow. Damit stelle es eine umweltfreundliche und nachhaltige Alternative zur herkömmlichen Produktionsweise dar. Mögliche weitere Siliziumdioxid-Lieferanten sind beispielsweise Zuckerrohr, Bambus, Weizen oder Gerste.

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