Det är en länge älskad dröm:Att ta bort den inerta växthusgasen koldioxid ur atmosfären och använda den som grundmaterial för den kemiska industrin. Detta skulle kunna lösa två stora problem samtidigt genom att begränsa klimatförändringarna och samtidigt minska beroendet av olja. Fysikaliska kemister vid universitetet i Bonn är i färd med att ge betydande bidrag till denna vision. De har upptäckt ett nytt sätt att skapa en mycket reaktiv form av koldioxid med hjälp av laserpulser. Resultaten har publicerats online i förväg och kommer snart att presenteras i den tryckta upplagan av tidskriften Angewandte Chemie .
Varje dag, naturen visar människan hur man elegant binder koldioxid från luften och omvandlar den till en välbehövlig råvara. Växter utför fotosyntes med sina gröna blad när de utsätts för ljus. Syre och den välbehövliga energi- och näringsleverantören socker skapas av koldioxid och vatten med hjälp av solljus.
"Forskare har strävat efter att efterlikna denna modell under lång tid, till exempel för att använda koldioxid för den kemiska industrin, " säger Prof. Dr. Peter Vöhringer från Institutet för Fysikalisk och Teoretisk Kemi vid universitetet i Bonn. Det som gör konceptet svårt att implementera är att det är mycket svårt att driva in koldioxid i nya partnerskap med andra molekyler.
Med sitt team, fysikalisk-kemisten har nu upptäckt ett nytt sätt att generera en mycket reaktiv variant av den inerta och svårbindbara växthusgasen. Forskarna använde ett så kallat järnkomplex:Centret innehåller en positivt laddad järnatom, till vilken koldioxidens beståndsdelar redan är bundna flera gånger. Forskarna sköt ultrakorta laserpulser av ultraviolett ljus på detta järnkomplex, som bröt vissa bindningar. Den resulterande produkten var en så kallad koldioxidradikal, som också knyter nya band med en viss radikalitet.
Sådana radikaler har en enda elektron i sitt yttre skal som akut vill binda permanent till en annan molekyl eller atom. "Det är denna oparade elektron som skiljer vår reaktiva radikalanjon bunden till den centrala järnatomen från den inerta koldioxiden och gör den så lovande för kemiska processer, " förklarar huvudförfattaren Steffen Straub från Vöhringers team. Radikalerna kan i sin tur vara byggstenarna för intressanta kemiska produkter, såsom metanol som bränsle eller urea för kemisk syntes och salicylsyra som smärtstillande medicin.
Spektrometer visar molekyler i arbete
Med sin laser och infraröda spektrometer, en stor apparat i källaren på institutet, forskarna tittar på molekylerna i arbete. Spektrometern mäter de karakteristiska vibrationerna hos molekylerna, och detta "fingeravtryck" tillåter dem att identifiera bindningarna mellan olika atomer. "Bildandet av koldioxidradikalen i järnkomplexet förändrar bindningarna mellan atomerna, vilket minskar frekvensen av den karakteristiska koldioxidvibrationen, " förklarar Straub.
Med rättsmedicinsk instinkt, forskarna kunde bevisa att laserpulserna verkligen producerar den reaktiva koldioxidradikalen. Först, teamet simulerade vibrationsspektra för molekylerna på datorn, jämförde sedan beräkningarna med mätningarna. Resultatet:Simulering och experiment var verkligen en utmärkt match. Som en "molekylär film, " spektrometern tog "snapshots" i den ofattbara tidsmässiga upplösningen av miljondelar av en miljarddels sekund. På basis av spektra, som motsvarar de enskilda bilderna i en film, det kan alltså avslöjas – huvudsakligen i slow motion – hur järnkomplexet deformeras under pulsad laserbelysning under flera steg, bindningarna bryts upp och till sist bildas radikalen.
"Våra resultat har potential att i grunden förändra idéer om hur man utvinner växthusgasen koldioxid från atmosfären och använder den för att producera viktiga kemiska produkter, säger Vöhringer. lämpliga katalysatorer skulle fortfarande behöva utvecklas för industriell användning eftersom laserpulser inte är effektiva för storskalig omvandling. "Ändå, våra resultat ger ledtrådar om hur en sådan katalysator skulle behöva utformas, ", tillägger forskaren. Den aktuella studien passar in i de multidisciplinära nyckelprofilområdena för hållbarhet samt materieforskning vid universitetet i Bonn.
