Aus chemischer Sicht ist Kohlendioxid – das wichtigste Treibhausgas – ein recht reaktionsträges Molekül. Entsprechend ist es nur schwer möglich, CO2-Moleküle aus der Atmosphäre zur Teilnahme an Reaktionen zu bewegen. Jetzt aber haben Wissenschaftler einen Trick entdeckt, wie sie das CO2 doch aktivieren können.
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Eine systematische Untersuchung der Wechselwirkung von Zinkoxid mit verschiedenen kleinen Molekülen überraschte nun Forscher der Ruhr-Universität Bochum: Sie zeigte, dass Zinkoxid schon bei relativ niedrigen Temperaturen CO2 aktivieren kann. Auf der Oberfläche entsteht aus dem stäbchenförmigen, reaktionsträgen Kohlendioxid das stark gewinkelte Carbonat-Ion, das chemisch deutlich aktiver ist. Über ihr Ergebnis berichten die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie.
Widerspruch zum bisher angenommenenen Mechanismus
Die durch eine Kombination verschiedener Techniken erzielten experimentellen Ergebnisse zur Wechselwirkung von CO2 mit ZnO waren für die Forscher zunächst unverständlich und erst durch eine enge Zusammenarbeit mit den Kollegen aus der Theoretischen Chemie zu deuten. Diese ließen die Reaktionen im Computer ablaufen und ermöglichten damit ihre detaillierte Untersuchung. „Besonders interessant ist die Art und Weise, wie die Aktivierung des Kohlendioxids stattfindet“, erklärt Christof Wöll, Sprecher des Sonderforschungsbereichs Metall-Substrat-Wechselwirkungen in der heterogenen Katalyse. „Es handelt sich hier nicht um eine Reaktion an Defekten, also an Lücken im Kristallgitter – den Reaktionsmechanismus, der momentan von Fachleuten in diesem Gebiet am wahrscheinlichsten gehalten wird – sondern um eine Anlagerung an perfekte, ungestörte Bereiche einer Zinkoxidoberfläche.“ Diese spezielle Orientierung wurde bislang als eher reaktionsträge angesehen und nicht als Kandidat für interessante chemische Prozesse betrachtet.
Schlüssel passt genau ins Schloss
Die theoretischen Rechnungen zeigen, dass die Aktivierung auf dieser Oberfläche auf ein Schlüssel-Schloss-Prinzip zurückzuführen ist: Das gewinkelte CO2 passt genau in die Oberflächenstruktur der speziellen Zinkoxidoberfläche; deswegen ist eine Aktivierung dieses in der Gasphase linearen Moleküls schon bei relativ niedrigen Temperaturen möglich. „Von wesentlicher Bedeutung dabei ist, dass die Oberfläche nicht dicht mit diesen Carbonaten belegt ist, sondern dass genug Platz bleibt, um jeweils zwischen zwei Carbonaten noch ein weiteres Molekül zu adsorbieren“, erklärt Prof. Wöll. Damit eröffnet sich eine neue Möglichkeit, aus aktiviertem CO2 durch Reaktion mit anderen Molekülen auf chemischem Wege Produkte zu erzeugen, die entweder anderweitig verwendet oder kostengünstig gelagert werden können.
Anwendung von Malerei bis Sonnenschutz
Zinkoxid ist ein vergleichsweise billiges Material, das vielseitig eingesetzt wird. Die Anwendungen reichen von der Malerei (Zinkweiß) bis zum Sonnenschutz. In der Chemie wird dieses Oxid neben der Reifenherstellung vor allem als Katalysator eingesetzt.
(Ruhr-Universität Bochum, 10.07.2007 – NPO)
