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Neues Molekül fixiert Kohlen­stoff­dioxid durch Licht­ein­wir­kung

Ein Forschungsteam um die Chemiker Fabian Dielmann von der Universität Innsbruck und Frank Glorius von der Universität Münster hat ein kleines Molekül entwickelt, das durch Lichteinwirkung CO2 spontan einfängt und nach Bestrahlung mit UV-Licht wieder freisetzt. Der Prozess kann mehrfach wiederholt werden, indem das Molekül durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht regeneriert

Die Fixierung und Speicherung von CO2 ­– also das Entziehen von CO2 aus der Atmosphäre ­– ist ein wesentlicher Bestandteil der Maßnahmen, die zur Begrenzung des Klimawandels im Sinne des Pariser Klimaabkommens erforderlich sind. In diesem Zusammenhang arbeitet das Forschungsteam um Fabian Dielmann am Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie der Universität Innsbruck an der Entwicklung kleiner Moleküle, die in der Lage sind, CO2 unter möglichst geringem Energieaufwand reversibel zu binden.

Die Aufnahme und Abgabe von CO2 mit CO2-bindenden Stoffen – den sogenannten Sorbentien – wird normalerweise durch Temperatur- oder Druckänderungen gesteuert. Demgegenüber ist die Nutzung von Licht als alternative Triebkraft äußerst attraktiv, da allein die Strahlungsenergie der Sonne den Prozess ankurbeln könnte. Diesem Ziel ist die Innsbrucker Forschungsgruppe nun einen entscheidenden Schritt nähergekommen.

Licht als Schalter

Die Forschungsgruppe stattete dafür Guanidinbasen mit einer photochromen Gruppe aus. Das daraus entstehende Molekül durchläuft bei Bestrahlung mit UV-Licht eine Cyclisierungsreaktion, wodurch die Basizität der Verbindung deutlich abgesenkt wird. Der ursprüngliche Zustand des Moleküls kann durch Bestrahlung mit sichtbarem Licht wiederhergestellt werden. Das Molekül kann also zwischen zwei Zuständen mit unterschiedlicher Basizität hin und her geschaltet werden. Da nur der basischere Zustand des Moleküls eine stabile Bindung mit CO2 eingeht, kann CO2 lichtgesteuert eingefangen und freigesetzt werden.  

Die Molekülstruktur unter Einwirkung von Sonnenlicht und UV-Strahlung

Noch sind diese Moleküle für den technischen Einsatz in der CO2-Speicherung zu aufwendig und zu teuer in der Herstellung. „Trotzdem hoffe ich, dass unsere Forschungsergebnisse die Entwicklung von photoschaltbaren Systemen zur CO2-Fixierung vorantreiben und auch auf dem Gebiet der photoschaltbaren Katalyse neue Impulse geben werden, sagt Dielmann mit Blick in die Zukunft.

Die Synthese der neuen photoschaltbaren Moleküle erfolgte in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe um Frank Glorius an der Westfälische Wilhelms-Universität Münster. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

 

Publikation: Photoswitchable Nitrogen Superbases: Using Light for Reversible Carbon Dioxide Capture. L. F. B. Wilm, M. Das, D. Janssen-Müller, C. Mück-Lichtenfeld, F. Glorius, F. Dielmann. Angewandte Chemie. 2021. https://doi/10.1002/anie.202112344

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