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Klimaschutz: Metallorganische Gerüste binden Kohlendioxid kooperativ

Könnte man Kohlendioxid aus Abgasen entfernen und in tiefen Erdschichten dauerhaft lagern, hätte man einen einfachen Weg, die nach wie vor reichlich vorhandene Kohle zu einem klimafreundlichen Energieträger zu machen. Bisher verwendet man dazu flüssige Alkylamine, die Kohlendioxid durch eine chemische Reaktion binden. Sie sind jedoch giftig, schwer zu handhaben und brauchen viel Energie, um das Gas wieder freizusetzen.

Deswegen suchen Forscher nach einem Material, das Kohlendioxid zwar aufnimmt wie ein Schwamm, es aber nur sehr schwach bindet und bei Bedarf leicht wieder abgibt. Aussichtsreiche Kandidaten für solche Materialien sind metallorganische Gerüstverbindungen, die auch als Absorber für andere Gase wie Wasserstoff im Gespräch sind. Wie diese Stoffe Kohlendioxid binden, hat jetzt ein Team um den Chemiker Tom Woo von der University of Ottawa genauer untersucht.

Diese von ihnen gewählten Stoffe bestehen aus Metallatomen, die molekulare Abstandhalter untereinander vernetzen. Dadurch sind sie von hauchfeinen Kanälen durchzogen. Die Forscher untersuchten die Struktur eines Festkörpers, dessen Wände aus Aminen bestehen. Dabei stellten sie fest, dass der Absorber Kohlendioxid anders bindet, als man es bei dieser Stoffklasse erwarten würde. Statt einer chemischen Reaktion zum Carbamat bindet der Absorber das Gas lediglich über elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken. Dadurch gibt er das Kohlendioxid wesentlich leichter wieder ab.

Tatsächlich fanden die Forscher im Absorber zwei unterschiedliche Bindungsstellen. Eine entspricht der klassischen Carbamat-Bindung vom Kohlendioxid ans Amin, der Abstand zwischen den Atomen ist jedoch mehr als doppelt so groß wie nach einer echten chemischen Reaktion. Erst das so absorbierte Kohlendioxid stabilisiert die zweite Bindungsstelle, die dann bevorzugt von dem Gas besetzt sind. Ein solches kooperatives Bindungsverhalten, das effektive Gasaufnahme und -abgabe begünstigt, kennt man unter anderem von dem Blutfarbstoff Hämoglobin. (lf)
43. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 43. KW 2010

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  • Quellen
Woo, T. et al.: Direct Observation and Quantification of CO2 Binding Within an Amine-Functionalized Nanoporous Solid. In: Science 330, S. 650 – 653, 2010.

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