Het grote publiek kent de chemische verbinding kooldioxide als broeikasgas in de atmosfeer en vanwege het opwarmingseffect ervan. Echter, kooldioxide kan ook een nuttige grondstof zijn voor chemische reacties. Een werkgroep van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) heeft nu gerapporteerd over deze ongebruikelijke toepassing in de ChemSusChem logboek. Ze gebruiken koolstofdioxide als grondstof om grafeen te produceren, een technologisch materiaal dat momenteel het onderwerp is van intensieve studie.

De verbranding van fossiele brandstoffen zoals kolen en olie levert energie op voor elektriciteit, warmte en mobiliteit, maar het leidt ook tot een toename van de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer en dus tot opwarming van de aarde. Het doorbreken van deze causale keten is wat wetenschappers motiveert om te zoeken naar alternatieve energiebronnen, maar ook naar alternatieve toepassingen van kooldioxide. Een mogelijkheid zou kunnen zijn om kooldioxide te zien als een goedkope grondstof voor de synthese van waardevolle materialen, terug te voeren in de herbruikbaarheidscyclus - misschien zelfs op een winstgevende manier.

Een voorbeeld is te vinden in de natuur. Tijdens fotosynthese in de bladeren van planten, de combinatie van licht, water en koolstofdioxide zorgen voor biomassa, het sluiten van de natuurlijke materiaalkringloop. In dit proces, het is de taak van het op metaal gebaseerde enzym RuBisCo om de kooldioxide uit de lucht op te nemen en bruikbaar te maken voor de verdere chemische reacties in de plant. Geïnspireerd door deze natuurlijke omzetting op basis van metaalenzymen, onderzoekers van het KIT presenteren nu een proces waarbij het broeikasgas kooldioxide samen met waterstofgas direct wordt omgezet in grafeen bij temperaturen tot 1000 graden Celsius met behulp van speciaal geprepareerde, katalytisch actieve metalen oppervlakken.

Grafeen is de tweedimensionale vorm van het chemische element koolstof, die interessante elektrische eigenschappen heeft en daarom een ​​optie is voor nieuwe toekomstige elektronische componenten. De ontdekking en bruikbaarheid ervan in 2004 leidde tot wereldwijde, intensief onderzoek en verdiende de ontdekkers, Andre Geim en Konstanin Novoselov, de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2010. De twee verwijderden het grafeen handmatig met tape uit een blok grafiet.

Verschillende werkgroepen van het KIT hebben samengewerkt om in het tijdschrift ChemSusChem een ​​methode te presenteren om grafeen te scheiden van koolstofdioxide en waterstof door middel van een metaalkatalysator. "Als het metalen oppervlak de juiste verhouding koper en palladium vertoont, de omzetting van koolstofdioxide in grafeen vindt direct plaats in een eenvoudig eenstapsproces, " legt het hoofd van de studie uit, Professor Mario Ruben, van de Molekulare Materialien-werkgroep van het Institute of Nanotechnology (INT) en het Institute for Inorganic Chemistry (AOC) van het KIT. In verdere experimenten waren de onderzoekers zelfs in staat om grafeen van meerdere lagen dik te produceren, wat interessant kan zijn voor mogelijke toepassingen in batterijen, elektronische componenten of filtermaterialen. Het volgende onderzoeksdoel van de werkgroep is het vormen van functionerende elektronische componenten uit het aldus verkregen grafeen. Koolstofmaterialen zoals grafeen en magnetische moleculen kunnen de bouwstenen zijn voor toekomstige kwantumcomputers, die ultrasnelle en energiezuinige berekeningen mogelijk maken, maar niet gebaseerd zijn op de binaire logica van de hedendaagse computers.