Lava als Katalysator

Lavagestein vom Ätna eignet sich als Katalysator, um Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder -Nanofasern direkt über eine Abscheidung aus der Gasphase zu synthetisieren.

Seit ihrer Entdeckung Anfang der 1990er Jahre sind Kohlenstoffnanoröhrchen und Kohlenstoffnanofasern – winzigste Gebilde aus reinem Kohlenstoff – dabei, eine ganze Reihe von Anwendungsgebieten zu erobern. Aus den Nanowissenschaften und der Nanotechnologie sind sie schon nicht mehr wegzudenken. Da es aber noch an einer kostengünstigen Herstellmethode im Produktionsmaßstab fehlt, war ihr großtechnischer Einsatz, beispielsweise als Katalysatoren, bisher undenkbar. Das könnte sich dank Forschern des Fritz-Haber-Instituts in Berlin nun ändern: Dang Sheng Su und seine Mitarbeiter setzen Lavagestein aus dem Ätna ein, um Kohlenstoffnanoröhrchen und -fasern direkt über eine Abscheidung aus der Gasphase zu synthetisieren. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie erklären, sind es die in der Lava enthaltenen Eisenoxid-Partikel, die dieses Gestein zu einem effektiven natürlichen Katalysator machen und so den Weg zu einer effizienten Produktion ebnen könnten.

Der Ätna ist der aktivste europäische Vulkan. Während seiner besonders heftigen Eruptionen 2002 und 2003 wurden mehrere Millionen Kubikmeter Lava ausgestoßen. Die Fruchtbarkeit der mineralstoffreichen vulkanischen Böden ist lange bekannt. Für die Wissenschaft wollen Su und seine Kollegen dem Lavagestein aber nun eine weitere, ganz andere Art „Fruchtbarkeit“ entlocken: Es könnte bei der Synthese von Kohlenstoffnanoröhrchen und -fasern erstaunlich hilfreich sein.

Lavagestein ist extrem porös und enthält eine recht große Menge fein verteilter Eisenoxide. Das ist genau das Richtige für die Synthese der winzigen Gebilde aus Kohlenstoff. Die Forscher pulverisierten das Gestein und erhitzen es bei 700 °C unter Wasserstoffatmosphäre. Die Eisenoxidpartikel werden dadurch zu elementarem Eisen reduziert. Wird nun eine Mischung aus den Gasen Wasserstoff und Ethylen über das Pulver geleitet, katalysieren die Eisenpartikel die Zersetzung von Ethylen zu elementarem Kohlenstoff. In Form von winzigen Röhrchen und Fasern scheidet er sich an dem Lavagestein ab. Vorteile der neuen Methode: Der Katalysator kommt in großen Mengen in der Natur vor und ist daher erschwinglich. Das katalytisch wirkende Eisen muss auf keinen Träger aufgebracht werden, das Lavagestein ist bereits Katalysator und Träger in einem. Das Verfahren kommt zudem ohne „nasschemische“ Schritte aus.

Interessant ist aber noch ein ganz anderer, erdgeschichtlicher Aspekt: Wenn eine Kohlenstoffquelle vorhanden ist, können Kohlenstoffnanoröhrchen und -fasern bei relativ moderaten Temperaturen an Mineralien gebildet werden. Vulkane stoßen Gase wie Methan und Wasserstoff aus. Konnten sich auf der Erde also bereits vor Millionen von Jahren diese Kohlenstoffmodifikationen bilden? Auch im interstellaren Raum sind Wasserstoff, Kohlenoxide und metallisches Eisen vorhanden – Voraussetzungen für die Entstehung der kleinen Röhrchen und Fasern. Kommen sie vielleicht auch im Weltraum vor?

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Dang Sheng Su, Xiao-Wei Chen, Natural Lavas as Catalysts for Efficient Production of Carbon Nanotubes and Nanofibers, Angewandte Chemie (Online Veröffentlichung, 30. Januar 2007).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200604207
• Dang Sheng Su, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin:
  http://w3.rz-berlin.mpg.de/ac/em/index.html