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Polyfluorierte Kohlenwasserstoffe adsorbieren Kristallkäfig fängt langlebige Treibhausgase

Quelle: Pressemitteilung

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Besonders schädlich für das Klima sind langlebige Treibhausgase wie polyfluorierte Kohlenwasserstoffe: Da sie nicht über natürliche Prozesse abgebaut werden, verbleiben sie tausende Jahre in der Atmosphäre. Eine Forschergruppe der Uni Heidelberg hat nun ein Käfigmolekül entwickelt, mit dem sich die langlebigen Treibhausgase gezielt einfangen lassen.

Im Hintergrund: lichtmikroskopische Bilder des einkristallinen Materials der formstabilen Käfigverbindung. Im Vordergrund: Stabmodell der Einkristallstruktur, grau: Kohlenstoff, weiß: Wasserstoff, rot: Sauerstoff, blau: Stickstoff und grün: Fluor.
Im Hintergrund: lichtmikroskopische Bilder des einkristallinen Materials der formstabilen Käfigverbindung. Im Vordergrund: Stabmodell der Einkristallstruktur, grau: Kohlenstoff, weiß: Wasserstoff, rot: Sauerstoff, blau: Stickstoff und grün: Fluor.
(Bild: Prof. Dr. Michael Mastalerz )

Heidelberg – Was die Natur an chemischen Verbindungen hervorbringt, das kann sie üblicherweise auch wieder abbauen. Wenn allerdings vom Menschen hergestellte Produkte in die Umwelt gelangen, ist dies mitunter ein Problem. Denn für herausragende Substanzeigenschaften haben Chemiker zum Teil Stoffe synthetisiert, die chemisch gesehen so stabil sind, dass sie nahezu nicht mehr zu zersetzen sind. Per- und polyfluorierte Kohlenwasserstoffe (perfluorinated compounds, PFC) sind ein Beispiel für solche inerten Substanzen. Sie sind u. a. bekannt aus wasser- und schmutzabweisenden Beschichtungen von Pfannen und Kleidung sowie aus Löschschäumen. Bei diesen organischen Verbindungen verschiedener Längen sind die Wasserstoffatome der Alkan-Ketten teilweise oder vollständig durch Fluoratome ersetzt, was die Moleküle so stabil macht. Neben den Alltagsanwendungen werden sie v. a. für Ätzprozesse in der Halbleiterindustrie, in der Augenchirurgie oder in der medizinischen Diagnostik als Kontrastverstärker für bestimmte Ultraschalluntersuchungen verwendet.

Wenn die PFC in die Umwelt gelangen, führt dies zu Problemen. „Im Gegensatz zu CO2, das in natürliche Stoffkreisläufe integriert ist, sammeln sich PFC in der Atmosphäre an und verbleiben dort für mehrere tausend Jahre, ehe sie abgebaut werden“, sagt Prof. Dr. Michael Mastalerz von der Universität Heidelberg. Entsprechend haben PFC im Vergleich zu Kohlendioxid ein vielfach größeres globales Wärmepotential: ein einzelnes PFC-Molekül entspricht dabei in seiner Wirkung etwa 5.000 bis 10.000 CO2-Molekülen. Das macht polyfluorierte Kohlenwasserstoffe nach den Worten des Wissenschaftlers zu einem permanenten Problem, das nicht nur bereits jetzt zur Klimaerwärmung beiträgt, sondern diese perspektivisch beschleunigen wird.

Gezielt aus der Luft entfernt

Mit seiner Forschungsgruppe am Organisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg hat Mastalerz ein neues kristallines Material entwickelt, das polyfluorierte Kohlenwasserstoffe mit hoher Selektivität adsorbieren – das heißt an seiner inneren Oberfläche binden – kann. Die porösen Kristalle basieren auf formstabilen organischen Hohlraumverbindungen, die an den miteinander verbundenen Streben fluorhaltige Seitenketten tragen. Diese Seitenketten interagieren nach dem Prinzip „Gleiches sucht Gleiches“ über Fluor-Fluor-Wechselwirkungen mit den PFC-Molekülen und sorgen dafür, dass sie sich an der inneren Oberfläche des Materials ablagern.

In ihren Versuchen haben die Heidelberger Wissenschaftler nachgewiesen, dass die von ihnen entwickelten Kristalle bestimmte fluorhaltige Gase wie Octafluorpropan oder Octafluorcyclobutan etwa 1.500- bis 4.000-mal stärker binden als z. B. Distickstoff, den Hauptbestandteil der Luft. Diese Zahlen spiegeln nach Angaben von Mastalerz im Hinblick auf die Bindung von PFC eine sehr hohe Selektivität wider.

Ausweiten auf andere fluorierte Gase

Zurzeit arbeitet Mastalerz mit seinem Team daran, die Selektivität der Kristalle weiter zu erhöhen und das Verfahren auch auf andere fluorierte Gase zu übertragen – z. B. solche, die in der medizinischen Anästhesie verwendet werden. „Ich sehe auf diesem Gebiet ein enormes Entwicklungspotential“, betont der Wissenschaftler. Er hofft, dass sich das Adsorptionsmittel für eine Rückgewinnung der polyfluorierten Kohlenwasserstoffe an ihrem Einsatzort nutzen lässt.

Originalpublikation: K. Tian, S. M. Elbert, X.-Y. Hu, T. Kirschbaum, W.-S. Zhang, F. Rominger, R. R. Schröder, M. Mastalerz: Highly Selective Adsorption of Perfluorinated Greenhouse Gases by Porous Organic Cages, Advanced Materials (3 June 2022); DOI: 10.1002/adma.202202290

(ID:48492796)

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