Entstehung von Smog Wie Ruß zu besserer Luft verhelfen könnte

Wenn der Himmel in der chinesischen Millionenstadt Shijiazhuang hinter einem dicken grauen Dunst verschwindet, ist Smog die Ursache. Wie so ein Nebel aus Feinstaub entsteht und welche Rolle Rußpartikel dabei spielen, hat ein internationales Forscherteam untersucht.

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Philadelphia/USA, Beijing/China – Industriedunst oder Smog ist ein Problem, dass in erster Linie in der Großstadt auftritt. Die Dunstglocke über Städten besteht aus rußhaltigem Feinstaub und entsteht, wenn Abgase aus Industrie, Verkehr und Landwirtschaft zu Schwebteilchen kondensieren. „Hydroxylradikale beschleunigen diese Kondensation erheblich“, sagt Joseph S. Francisco von der amerikanischen University of Pennsylvania. Er ist einer der Hauptautoren einer aktuellen Studie, in der die Forscher die Rolle dieser Radikale bei der Bildung von Feinstäuben näher untersucht haben.

Als Quelle der Hydroxylradikale gelten v. a. Stickoxide und Ozon. Allerdings erklärt diese Entstehung nicht vollständig, wie sich immer wieder ein derartig massiver Feinstaubdunst formieren kann, wie er besonders in smoggeplagten Regionen in Südostasien regelmäßig auftritt.

Was passiert auf den Rußpartikeln?

Die Forschergruppen um Francisco sowie Hong He von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Beijing haben nun in einer Zusammenarbeit die chemische Aktivität von Rußteilchen genauer unter die Lupe genommen. Ruß besteht aus unverbranntem Kohlenstoff und stammt aus den Abgasen von Dieselmotoren oder wird durch Brandrodung und Waldbrände verbreitet. Bislang galten Rußteilchen eher als Senke für Hydroxylradikale. In ihren Experimenten beobachteten Francisco und sein Team jedoch, dass Rußteilchen Hydroxylradikale abgeben, wenn unter Lichteinstrahlung wasserdampfhaltige Luft darüber geleitet wird.

Allerdings hätten die Forscher erwartet, dass die entstandenen Hydroxylradikale die Rußoberfläche gar nicht verlassen, sondern gleich weiterreagieren. Energetische Berechnungen zeigten jedoch, dass ein Hydroxylmolekül, sobald es entstanden ist, zwar an die Kohlenstoffatome auf der Oberfläche bindet, sich aber auch schnell fortbewegt. Das geschehe den Autoren zufolge ähnlich wie beim so genannten „Roaming“: Demnach huschten die Teilchen über die Oberfläche und entfernen sich schließlich ganz.

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Ruß verstehen – Smog verringern – Luft verbessern

Aus ihren Ergebnissen schließt das Team, dass Rußteilchen aktiv zur Dunst- und Smogbildung beitragen. Ihre Ergebnisse denken die Forscher aber noch weiter. Da nämlich offenbar Licht ausreicht, um auf Ruß stabile Wassermoleküle zu zersetzen, könnte dieses Material vielleicht zu metallfreien Kohlenstoffkatalysatoren weiterentwickelt werden. Solche Ruß-basierten Katalysatoren könnten helfen, Stickoxide und flüchtige organische Verbindungen (VOCs) aus der Luft zu entfernen. Denkbar ist auch, mit solchen Katalysatoren in einer umweltfreundlichen künstlichen Photosynthese aus Lichtenergie chemische Energie zu erzeugen.

Originalpublikation: Guangzhi He, Prof. Jinzhu Ma, Biwu Chu, Renzhi Hu, Hao Li, Meng Gao, Yuan Liu, Yonghong Wang, Prof. Qingxin Ma, Prof. Pinhua Xie, Guoxian Zhang, Xiao Cheng Zeng, Prof. Joseph S. Francisco, Prof. Hong He: Generation and Release of OH Radicals from the Reaction of H2O with O2 over Soot, Angewandte Chemie, First published: 11 March 2022; DOI: 10.1002/ange.202201638

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