21.03.2018

Bindungsfreude durch Beschuss

Ultrakurze Laserpulse lassen Kohlendioxid reaktionsfreudig werden.

Es ist ein lang gehegter Traum: Das träge Treibhausgas Kohlen­dioxid aus der Atmosphäre entfernen und es als Grund­stoff für die chemische Industrie nutzen. Damit könnten gleich zwei große Probleme auf einmal angegangen werden, indem der Klima­wandel eingedämmt und die Abhängigkeit von Erdöl reduziert wird. Physiko­chemiker der Universität Bonn sind im Begriff, zu dieser Vision wesentliche Beiträge zu leisten. Sie haben einen neuen Weg entdeckt, wie sich mit Hilfe von Laser­pulsen eine sehr reaktions­freudige Form des Kohlen­dioxids hergestellen lässt.

Abb.: Peter Vöhringer (links) und Steffen Straub im Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. (Bild: B. Frommann / U. Bonn)

Die Natur macht es dem Menschen tagtäglich vor, wie sich auf elegante Weise das Kohlen­dioxid aus der Luft binden und in einen dringend benötigten Rohstoff umwandeln lässt. Mit ihren grünen Blättern betreiben die Pflanzen bei Licht­einstrahlung Foto­synthese. Aus Kohlen­dioxid und Wasser entstehen mit Hilfe des Sonnen­lichts Sauer­stoff und der dringend benötigte Energie- und Baustoff­lieferant Zucker.

„Diesem Vorbild eifert der Mensch schon lange nach, um Kohlen­dioxid zum Beispiel auch für die chemische Industrie zu nutzen“, sagt Peter Vöhringer vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn. Was das Konzept schwer umsetzbar macht ist, dass sich das Kohlen­dioxid kaum dazu bewegen lässt, neue Partner­schaften mit anderen Molekülen einzugehen.

Mit seinem Team hat der Physiko­chemiker nun einen neuen Weg entdeckt, wie das reaktions­träge und schwer zu bindende Treibhaus­gas in einer sehr reaktions­freudigen Variante hergestellt werden kann. Die Forscher nutzten einen Eisen­komplex: Im Zentrum befindet sich ein positiv geladenes Eisen­atom, an dem mehrfach die Bestand­teile des Kohlen­dioxids bereits gebunden sind. Die Wissenschaftler schossen ultra­kurze Laser­pulse aus ultra­violettem Licht auf diesen Eisen­komplex, wodurch bestimmte Bindungen aufgebrochen wurden. Als Produkt entstand ein sogenanntes Kohlendioxid-Radikal, das auch mit einer gewissen Radikalität neue Verbindungen eingeht.

Solche Radikale verfügen in ihrer äußeren Hülle über ein einzelnes Elektron, das dringend mit einem anderen Molekül oder Atom eine dauer­hafte Bindung eingehen möchte. „Es ist dieses ungepaarte Elektron, welches unser reaktions­freudiges, an das zentrale Eisen­atom gebundene Radikal-Anion von dem reaktions­trägen Kohlen­dioxid unterscheidet und für chemische Prozesse so viel­versprechend macht“, erläutert Steffen Straub aus Vöhringers Team. Die Radikale könnten wiederum die Grund­bausteine für interessante chemische Produkte darstellen, wie zum Beispiel Methanol als Treibstoff oder Harnstoff für chemische Synthesen sowie Salicylsäure als Schmerz­medikament.

Mit ihrem Laser und Infrarot­spektrometer, einer großen Apparatur im Keller des Instituts, schauen die Wissenschaftler den Molekülen quasi bei der Arbeit zu. Sie können damit die Verbindungen aus unterschiedlichen Atomen anhand eines „Fingerabdrucks“ identifizieren, indem das Spektro­meter die charakteristischen Schwingungen der Moleküle misst. „Bei der Bildung des Kohlen­dioxid-Radikals innerhalb des Eisen-Komplexes verändern sich die Bindungen zwischen den Atomen, und dadurch verringert sich die Frequenz der für das Kohlen­dioxid typischen Schwingung“, erklärt Straub. So wiesen die Wissenschaftler nach, dass durch die Laserpulse tatsächlich das reaktions­freudige Kohlen­dioxid-Radikal entsteht.

Zunächst simulierte das Team am Rechner die Schwingungs­spektren der Moleküle, anschließend verglich es die Berechnungen mit den Messungen. Simulation und Experiment stimmten sehr gut überein. Anhand der Spektren lässt sich deshalb gleichsam in Zeit­lupe nachweisen, wie sich der Eisen­komplex unter Laser­beschuss über mehrere Stufen verformt, die Bindungen aufbrechen und schließlich das Radikal entsteht.

„Unsere Ergebnisse haben das Potenzial, die Vorstellungen darüber, wie man das Treibhausgas Kohlen­dioxid der Atmosphäre entziehen und daraus wichtige chemische Produkte herstellen könnte, grundlegend zu verändern“, sagt Vöhringer. Allerdings müssten für einen groß­technischen Einsatz noch geeignete Katalysatoren entwickelt werden, weil für eine Umwandlung im großen Maßstab Laserpulse nicht effizient seien. „Unsere Ergebnisse liefern jedoch Anhaltspunkte dafür, wie ein solcher Katalysator designt werden müsste“, ergänzt der Wissenschaftler.

U. Bonn / DE

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