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Katalyse: Kupferkomplex fixiert Kohlendioxid effizient und reversibel

Der Klima verändernde Anstieg der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre soll mit vielen unterschiedlichen Methoden gebremst werden – zum Beispiel, indem das beim Verbrennen fossiler Treibstoffe anfallende CO2 sequestriert, also abgeschieden und möglichst langfristig zwischengelagert wird, um es aus dem Kohlenstoffkreislauf der Erde zu entziehen. Alle Ansätze kämpfen aber mit technischen Problemen, die sie auf absehbare Zeit auch wirtschaftlich unrentabel machen. Dabei ist die chemische Hauptherausforderung die Stabilität des Kohlendioxidmoleküls: Seine stabilen Doppelbindungen können nur unter hohem Energieaufwand gelöst werden, um den Kohlenstoff in eine andere Verbindung zu überführen. Dieses Problem könnte ein spezieller Kupferkatalysator aber etwas kleiner machen, berichtet nun ein holländisches Forscherteam: Mit seiner Hilfe könnte Kohlendioxid effizient in industriell nachgefragte Verbindungen umgewandelt werden [1].

Die Forscher um Elisabeth Bouwman von der Leiden University beschreiben zwei einfach positiv geladene Kupferkomplexe mit je zwei Metallatomen, die durch CO2 in einen größeren [Cu]2+-Komplex oxidiert werden. Die dabei reduzierten Kohlendioxidmoleküle verbinden die Kupferringsysteme darin als Oxalatbrücken. Wird dann in einem weiteren Schritt Salz und ein geeignetes Lösungsmittel zugegeben, so wird Oxalat frei, welches leicht abgeschieden und zum Beispiel in der Bleichmittelindustrie und Elektrochemie weiterverwendet werden kann.

Die Reaktion kann in wenigen Stunden mehrfach hintereinander ablaufen, ohne dass ein großer Energieeinsatz nötig wird, berichtet Bouwmans Team. Auch unter Luftsauerstoff sei die Bildung des durch Kohlendioxid oxidierten Tetra-Kupfer-Komplexes thermodynamisch begünstigt und laufe daher bevorzugt und relativ schnell ab; Lithiumperchlorat in Acetonitril setzte daraus sehr schnell ein Oxalat-Lithium-Dianion frei, welches sofort auskristallisiert. Am Ende können dann schließlich die [Cu]1+-Systeme vollständig durch Elektrolyse regeneriert werden. Dieser Schritt erfordert allerdings ein wenig Energie und sei der zeitaufwändigste des Zyklus, könne aber weiter perfektioniert werden.

In der Vergangenheit sind bereits verschiedene andere Ansätze beschrieben worden, um Kohlendioxid chemisch zu aktivieren und umzubauen. Bei der Übergangsmetallkatalyse reagiert CO2 dabei mit einem aktivierenden Metall und reagiert mit Wasserstoff zu Ameisensäure, die dann weiter umgesetzt werden kann. Nützlicher, aber auch aufwändiger wäre eine reduktive Umwandlung von Kohlendioxid in Formaldehyd, Methanol oder ähnliche einfache organische Verbindungen niedriger Oxidationsstufe, wie sie nun von Bouwmans Team vorgestellt wurde. Hier benutzen Forscher zum Beispiel bereits erfolgreich Carben als Katalysator und ein Silan als Reduktionsmittel, was aber ebenfalls nur unter recht hohem Aufwand gelingt. (jo)
2. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 2. KW 2010

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  • Quellen
[1] Angamuthu, R. et al.: Electrocatalytic CO2 Conversion to Oxalate by a Copper Complex. In: Science 327, S. 313–315, 2010.
[2] Riduan, S.N. et al.: Conversion of Carbon Dioxide to Methanol with Silanes over N-Heterocyclic Carbene Catalysts. In: Angewandte Chemie 10.1002/ange.200806058, 2009.

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