Het is een lang gekoesterde droom:het inerte broeikasgas kooldioxide uit de atmosfeer halen en gebruiken als grondstof voor de chemische industrie. Dit zou twee grote problemen tegelijk kunnen aanpakken door de klimaatverandering in te dammen en tegelijkertijd de afhankelijkheid van olie te verminderen. Fysisch-chemici van de Universiteit van Bonn leveren een belangrijke bijdrage aan deze visie. Ze hebben een nieuwe manier ontdekt om met behulp van laserpulsen een zeer reactieve vorm van koolstofdioxide te creëren. De resultaten zijn vooraf online gepubliceerd en zullen binnenkort worden gepresenteerd in de gedrukte editie van het tijdschrift Angewandte Chemie .

Elke dag, de natuur laat mensen zien hoe ze koolstofdioxide uit de lucht op elegante wijze kunnen binden en omzetten in een broodnodige grondstof. Planten voeren fotosynthese uit met hun groene bladeren wanneer ze worden blootgesteld aan licht. Zuurstof en de broodnodige energie- en voedingsstofleverancier suiker worden met behulp van zonlicht gemaakt uit kooldioxide en water.

"Wetenschappers streven er al heel lang naar om dit model na te bootsen, bijvoorbeeld om kooldioxide te gebruiken voor de chemische industrie, " zegt Prof. Dr. Peter Vöhringer van het Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie van de Universiteit van Bonn. Wat het concept moeilijk te implementeren maakt, is dat het erg moeilijk is om koolstofdioxide in nieuwe partnerschappen met andere moleculen te duwen.

Met zijn team, de fysico-chemicus heeft nu een nieuwe manier ontdekt om een ​​zeer reactieve variant van het inerte en moeilijk te binden broeikasgas te genereren. De onderzoekers gebruikten een zogenaamd ijzercomplex:het centrum bevat een positief geladen ijzeratoom, waaraan de bestanddelen van het kooldioxide al meermaals zijn gebonden. De wetenschappers schoten ultrakorte laserpulsen van ultraviolet licht op dit ijzercomplex, die bepaalde banden verbrak. Het resulterende product was een zogenaamd kooldioxideradicaal, die ook nieuwe banden vormt met een zekere radicaliteit.

Dergelijke radicalen hebben een enkel elektron in hun buitenste schil dat dringend permanent aan een ander molecuul of atoom wil binden. "Het is dit ongepaarde elektron dat ons reactieve radicale anion, gebonden aan het centrale ijzeratoom, onderscheidt van het inerte koolstofdioxide en het zo veelbelovend maakt voor chemische processen, " legt hoofdauteur Steffen Straub van het team van Vöhringer uit. De radicalen kunnen op hun beurt de bouwstenen zijn voor interessante chemische producten, zoals methanol als brandstof of ureum voor chemische syntheses en salicylzuur als pijnmedicatie.

Spectrometer toont moleculen aan het werk

Met hun laser- en infraroodspectrometer, een groot apparaat in de kelder van het instituut, de wetenschappers kijken naar de moleculen aan het werk. De spectrometer meet de karakteristieke trillingen van de moleculen, en deze "vingerafdruk" stelt hen in staat om de bindingen tussen verschillende atomen te identificeren. "De vorming van de koolstofdioxideradicaal in het ijzercomplex verandert de bindingen tussen de atomen, die de frequentie van de karakteristieke koolstofdioxidetrilling vermindert, ’ legt Straub uit.

Met forensisch instinct, de wetenschappers konden bewijzen dat de laserpulsen echt de reactieve kooldioxideradicaal produceren. Eerst, het team simuleerde de trillingsspectra van de moleculen op de computer, vergeleek vervolgens de berekeningen met de metingen. Het resultaat:Simulatie en experiment waren inderdaad een uitstekende match. Zoals een "moleculaire film, " de spectrometer nam "snapshots" in de onvoorstelbare temporele resolutie van miljoenste van een miljardste van een seconde. Op basis van de spectra, die overeenkomen met de afzonderlijke beelden van een film, het kan dus worden onthuld - in wezen in slow motion - hoe het ijzercomplex vervormt onder gepulseerde laserverlichting over verschillende fasen, de bindingen worden verbroken en uiteindelijk wordt de radicaal gevormd.

"Onze bevindingen hebben het potentieel om ideeën fundamenteel te veranderen over hoe het broeikasgas koolstofdioxide uit de atmosfeer te halen en te gebruiken om belangrijke chemische producten te produceren. " zegt Vöhringer. Echter, voor industrieel gebruik zouden nog geschikte katalysatoren moeten worden ontwikkeld omdat laserpulsen niet efficiënt zijn voor grootschalige conversie. "Niettemin, onze resultaten geven aanwijzingen over hoe een dergelijke katalysator zou moeten worden ontworpen, ", vult de wetenschapper aan. Het huidige onderzoek sluit aan bij de multidisciplinaire kernprofielen op het gebied van duurzaamheid en materieonderzoek aan de Universiteit van Bonn.