Was wäre, wenn das inerte Kohlendioxid in der Atmosphäre in einen brauchbaren Rohstoff umgewandelt werden könnte? Pflanzen tun dies während der Photosynthese, indem sie Kohlendioxid in Sauerstoff und Zucker verwandeln, wenn sie Licht ausgesetzt werden.

Inspiriert von diesem Prozess haben sich Physikalisch-Chemiker an der Universität Bonn in Deutschland entwickelt A new way um eine reaktive Variante von Kohlendioxid zu erzeugen, die möglicherweise als Grundstoff in der chemischen Industrie verwendet werden könnte.

Die Studie ist veröffentlicht in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Das Problem

Kohlendioxid, ein Treibhausgas, ist der Schadstoff Nummer eins, der zum Klimawandel führt über 80 Prozent der US-Treibhausgasemissionen in 2015. Kohlendioxid wird während einer Vielzahl von täglichen menschlichen Aktivitäten emittiert, einschließlich Transport, Stromerzeugung und Verbrennung fossiler Brennstoffe für industrielle Zwecke.

Eines der Hauptziele der Umweltbewegung war es daher, Wege zu finden, die Kohlendioxidemissionen als Mittel zur Kontrolle des Klimawandels zu begrenzen.

Die Wiedergewinnung von atmosphärischem Kohlendioxid für den industriellen Einsatz würde zwei Ziele auf einmal erreichen.

"Wenn dies gelingt, ist die Wirkung eines solchen Ansatzes sofort ersichtlich: Man kann das störende Treibhausgas nutzen und gleichzeitig die weltweite Abhängigkeit von Rohöl als chemischem Rohstoff verringern", sagte er Peter VöhringerProfessor am Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn und korrespondierender Autor der Studie.

Im Zuge dieser Vision haben Wissenschaftler verschiedene Übergangsmetallkomplexe untersucht, an die sich Kohlendioxid binden kann. Kohlendioxid ist jedoch bekanntermaßen schwierig an andere Moleküle zu binden.

Vor den Forschungen von Vöhringer und seinem Team waren nur drei Arten der Bindung von Kohlenstoff an ein Übergangsmetall bekannt.

Die Studie

Aber jetzt haben die Bonner Forscher eine vierte Art entdeckt, die einen Eisenkomplex als Übergangsmetall verwendet. Im Eisenkomplex sind die Bestandteile von Kohlendioxid mehrfach um ein positiv geladenes Eisenatom gebunden.

Die Forscher schossen dann ultraschnelle Laserpulse von ultraviolettem Licht auf den Eisenkomplex. Dieser Prozess löste bestimmte Bindungen, wodurch das Kohlendioxid durch eines seiner zwei terminalen Sauerstoffatome an das Eisen binden konnte.

Der Eisenkomplex wird dabei in ein neues Molekül umgewandelt, das Kohlendioxid in seiner chemisch reduzierten Form trägt.

„Das heißt, das Kohlendioxid ist nicht mehr das jedem bekannte elektroneutrale C02-Molekül (durch das bekannte Treibhausgas), sondern liegt in einer negativ geladenen Form mit einem ungepaarten Elektron vor“, sagte Vöhringer .

Dieses neu gebildete Molekül ist als Kohlendioxid-Radikalanion bekannt. Mit nur einem einzigen Elektron in seiner äußeren Schale ist dieses Radikalanion ein hochreaktives Molekül. Dieses ungepaarte Elektron gibt dem Radikalanion das Potential, als ein Baustein für verschiedene chemische Prozesse verwendet zu werden.

Dieses neue Molekül ist "eine hochinteressante Struktur, die chemische Reaktivitäten verspricht, die noch erforscht werden müssen", sagte Vöhringer.

Die Forscher hoffen, dass die reaktive Kohlendioxid-Variante als Baustein für eine Reihe von chemischen Produkten dienen könnte, darunter Methanol als Kraftstoff, Harnstoff für chemische Synthesen und Salicylsäure als Schmerzmittel.

Die Wissenschaftler führten diese Forschung mit einem Infrarotspektrometer durch. In der zeitlichen Auflösung von Millionsteln einer Milliardstel Sekunde erfasst das Spektrometer „Momentaufnahmen“ der Schwingungsspektren der Moleküle. Diese Schnappschüsse erzeugen einen „molekularen Film“, der den Prozess der ultrakurzen Laserpulse, die die Bindungen im Eisenkomplex aufbrechen und die Bildung des Kohlendioxidradikals ermöglichen, visuell demonstriert.

"Die Bildung des Kohlendioxidradikals im Eisenkomplex verändert die Bindungen zwischen den Atomen, wodurch die Frequenz der charakteristischen Kohlendioxidschwingung abnimmt", so Steffen Straub, Doktorand und Hauptautor an der Universität Bonn.

Durch die Messung der Veränderung der Häufigkeit der Kohlendioxid-Schwingungen konnten die Wissenschaftler daher die Bildung des Kohlendioxid-Radikals analysieren.

Anschließend testeten die Forscher die Ergebnisse ihres Experiments anhand einer Computersimulation der Schwingungsspektren der Moleküle. Durch den Vergleich ihrer ursprünglichen Messungen mit den Berechnungen des Computers konnten sie definitiv feststellen, dass die Laserpulse tatsächlich das Kohlendioxid-Radikal erzeugen.

Struktur & Organisation

Die Forscher glauben, dass ihre Ergebnisse die Erforschung der Kohlendioxid-Aktivierung durch Übergangsmetallkomplexe wiederbeleben könnten.

"Unsere Ergebnisse haben das Potenzial, die Vorstellungen darüber, wie das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre gewonnen und zur Herstellung wichtiger chemischer Produkte verwendet werden kann, grundlegend zu ändern", sagte Vöhringer in einer Erklärung.

Sie beabsichtigen, die chemischen Reaktivitäten des neuen Bindungsmodus weiter zu erforschen, um zu verstehen, wie er auf den industriellen Einsatz angewendet werden kann.

Es gibt immer noch Hürden, um zu navigieren, bevor ihre Entdeckung in der realen Welt angewendet werden kann. Die Verwendung von Laserimpulsen ist für eine industrielle Verwendung zu ineffizient, und damit der Umwandlungsprozess für diese Zwecke eingesetzt werden kann, müsste ein Katalysator entwickelt werden, um die Rolle der Laserimpulse zu erfüllen.

"Unsere Ergebnisse liefern jedoch Hinweise darauf, wie ein solcher Katalysator konstruiert werden müsste", sagte Vöhringer in einer Erklärung.