Rauchender Schornstein

Kohlen­dioxid reloa­ded

Physiker um Martin Beyer und Milan Ončák vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik beobachteten erstmals sehr detailliert einen für die Elektrochemie wichtigen Vorgang bei der Aktivierung von Kohlendioxid. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition.

Kohlendioxid ist als Treibhausgas wesentlich am Klimawandel beteiligt. Es gibt deshalb weltweit Bemühungen, die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. Auch gibt es Ansätze, Kohlendioxid über technische Prozesse aus der Atmosphäre zurückzugewinnen. Für all diese Maßnahmen ist das grundlegende Verständnis der Chemie von Kohlendioxid enorm wichtig. Obwohl Kohlendioxid eines der ersten Gase war, das eine Bezeichnung erhielt und dessen Eigenschaften schon im 18. Jahrhundert beschrieben wurden, sind seine Reaktionsmechanismen bis heute noch nicht vollständig verstanden. Die Arbeitsgruppe um Martin Beyer und Milan Ončák vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik wirft nun neues Licht auf den Prozess der Aktivierung von Kohlendioxidmolekülen an Metallen.

Kohlendioxid linear und gewinkelt

Das Team fängt dazu in einer Ionenfalle kleine Cluster aus je einem Magnesiumion, einem Kohlendioxidmolekül und bis zu acht Wassermolekülen ein und bestrahlt sie mit Infrarotlicht. Bei charakteristischen Frequenzen absorbiert der Cluster das Licht und heizt sich auf, so dass bei kleinen Clustern das Kohlendioxidmolekül, bei größeren Clustern Wasser verdampft. „Wir wiederholen das Experiment für verschiedene Wellenlängen und erhalten so ein Spektrum, das uns verrät, in welcher Form das Kohlendioxidmolekül im Cluster vorhanden ist“, erklärt Martin Beyer. Es stellt sich heraus, dass für bis zu zwei Wassermoleküle das Kohlendioxidmolekül linear bleibt, bei drei Wassermolekülen ändert sich aber schlagartig dessen Struktur, es wird gewinkelt. „Der Grund dafür ist, dass die Wassermoleküle ein Elektron vom Magnesiumion auf das Kohlendioxidmolekül schieben, so dass man ein doppelt positiv geladenes Magnesiumion sowie ein negativ geladenes Kohlendioxidion erhält“, erläutert Beyer. Zwei Wassermoleküle schieben noch nicht stark genug, erst bei drei Wassermolekülen passiert der Übergang. Quantenchemische Rechnungen unter Leitung von Milan Ončák lassen noch tiefer blicken: „Wir sehen durch den Vergleich von Theorie und Experiment, dass sich zusätzliche Wassermoleküle zwischen das Magnesiumion und das Kohlendioxidion drängeln und dadurch das Kohlendioxid allmählich in Wasser gelöst wird“, so der Physiker. So detailliert wurde dieser für die Elektrochemie wichtige Vorgang noch nie zuvor beobachtet.
Diese Erkenntnisse der Grundlagenforschung liefern einen wichtigen Beitrag, um technische Prozesse besser verstehen und dann auch optimieren zu können. Dass sich so im großen Stil Kohlendioxid aus der Atmosphäre rückgewinnen lässt, hält Martin Beyer allerdings nicht für sehr realistisch: „Die Rückgewinnung wäre schön, wird aber auf lange Sicht nicht wirtschaftlich sein. Es wäre viel gewonnen, wenn man das Kohlendioxid dort abfängt, wo große Mengen davon entstehen, das ist viel einfacher, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher als die Rückgewinnung aus der Atmosphäre.“ Dies könnte zum Beispiel bei der Kohleverbrennung gelingen. Auch als Baustein für Kunststoffe oder als Rohstoff für Treibstoffe spielt Kohlendioxid eine wichtige Rolle.

Die Arbeit wurde vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF im Rahmen des Projekts Nr. P28896 „Reaktionen mit Kohlenstoffdioxid in Gasphasenclustern“ finanziell gefördert.

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