Ultrakorte laserimpulser gør drivhusgas reaktiv

Det er en længe elsket drøm:At fjerne den inaktive drivhusgas kuldioxid fra atmosfæren og bruge den som basismateriale til den kemiske industri. Dette kunne løse to store problemer på én gang ved at begrænse klimaforandringerne og samtidig mindske afhængigheden af ​​olie. Fysio-kemikere ved universitetet i Bonn er i færd med at yde væsentlige bidrag til denne vision. De har opdaget en ny måde at skabe en meget reaktiv form for kuldioxid ved hjælp af laserimpulser. Resultaterne er offentliggjort online på forhånd og vil snart blive præsenteret i den trykte udgave af tidsskriftet Angewandte Chemie .

Hver dag, naturen viser mennesker, hvordan man elegant binder kuldioxid fra luften og omdanner det til et tiltrængt råstof. Planter udfører fotosyntese med deres grønne blade, når de udsættes for lys. Ilt og den tiltrængte energi- og næringsstofleverandør sukker skabes af kuldioxid og vand ved hjælp af sollys.

"Forskere har stræbt efter at efterligne denne model i lang tid, for eksempel for at bruge kuldioxid til den kemiske industri, " siger Prof. Dr. Peter Vöhringer fra Institut for Fysisk og Teoretisk Kemi ved Bonn Universitet. Det, der gør konceptet svært at implementere, er, at det er meget svært at skubbe kuldioxid ind i nye partnerskaber med andre molekyler.

Med sit hold, Fysio-kemikeren har nu opdaget en ny måde at generere en meget reaktiv variant af den inerte og svært-bindelige drivhusgas. Forskerne brugte et såkaldt jernkompleks:Centret indeholder et positivt ladet jernatom, hvortil kuldioxidens bestanddele allerede er bundet flere gange. Forskerne skød ultrakorte laserimpulser af ultraviolet lys på dette jernkompleks, som brød visse bindinger. Det resulterende produkt var et såkaldt kuldioxidradikal, som også knytter nye bånd med en vis radikalitet.

Sådanne radikaler har en enkelt elektron i deres ydre skal, der akut ønsker at binde permanent til et andet molekyle eller atom. "Det er denne uparrede elektron, der adskiller vores reaktive radikale anion bundet til det centrale jernatom fra den inerte kuldioxid og gør den så lovende for kemiske processer, " forklarer hovedforfatter Steffen Straub fra Vöhringers team. Radikalerne kan igen være byggestenene til interessante kemiske produkter, såsom methanol som brændstof eller urinstof til kemiske synteser og salicylsyre som smertestillende medicin.

Spektrometer viser molekyler i arbejde

Med deres laser og infrarøde spektrometer, et stort apparat i instituttets kælder, forskerne ser molekylerne i arbejde. Spektrometret måler molekylernes karakteristiske vibrationer, og dette "fingeraftryk" giver dem mulighed for at identificere bindingerne mellem forskellige atomer. "Danningen af ​​kuldioxidradikalet i jernkomplekset ændrer bindingerne mellem atomerne, hvilket reducerer frekvensen af ​​den karakteristiske kuldioxidvibration, " forklarer Straub.

Med retsmedicinsk instinkt, forskerne var i stand til at bevise, at laserimpulserne virkelig producerer det reaktive kuldioxidradikal. Først, holdet simulerede vibrationsspektrene for molekylerne på computeren, sammenlignede derefter beregningerne med målingerne. Resultatet:Simulering og eksperiment var virkelig et fremragende match. Som en "molekylær film, " spektrometeret tog "snapshots" i den ufattelige tidsmæssige opløsning på milliontedele af en milliardtedel af et sekund. På basis af spektrene, som svarer til de enkelte billeder af en film, det kan således afsløres - i det væsentlige i slowmotion - hvordan jernkomplekset deformeres under pulserende laserbelysning over flere trin, bindingerne brydes op og til sidst dannes radikalet.

"Vores resultater har potentiale til fundamentalt at ændre ideer om, hvordan man udvinder drivhusgassen kuldioxid fra atmosfæren og bruger den til at producere vigtige kemiske produkter, siger Vöhringer. egnede katalysatorer vil stadig skulle udvikles til industriel brug, fordi laserimpulser ikke er effektive til storskala konvertering. "Ikke desto mindre, vores resultater giver fingerpeg om, hvordan en sådan katalysator skulle designes, " tilføjer videnskabsmanden. Den aktuelle undersøgelse passer ind i de tværfaglige nøgleprofilområder om bæredygtighed samt stofforskning på universitetet i Bonn.