Auf dem Weg zur künstlichen Photosynthese?
Direkte Aktivierung mit graphitischem Kohlenstoffnitrid macht Kohlendioxid für chemische Synthesen zugänglich
Pflanzen können es: Einfach Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen und in Biomasse umwandeln. Für diesen als Photosynthese bezeichneten Prozess nutzen sie Licht als Energiequelle. Chemiker würden das auch gerne können, einfach CO2 als Kohlenstoffquelle für ihre Synthesen nutzen, aber das klappt nicht so ohne weiteres. Einem Team um Markus Antonietti vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam ist nun ein entscheidender Schritt auf diesem Weg geglückt. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben, ist es ihnen gelungen, CO2 mithilfe einer speziellen neuen metallfreien Katalysatorklasse, einem graphitischen Kohlenstoffnitrid, so zu aktivieren, dass es für eine chemische Reaktion zugänglich wird.
"Die chemische Aktivierung von Kohlendioxid, d.h. dessen Spaltung in einer chemischen Reaktion", führen die Chemiker Goettmann, Thomas und Antonietti aus, "ist eine der größten Herausforderungen der Synthesechemie." Die Bindungen innerhalb des Moleküls sind sehr stabil, es ist eine sehr hohe Energie nötig, um sie zu spalten. Bisher sind nur sehr spezielle Metallkatalysatoren bekannt, die die C-O-Bindungen im CO2 spalten können.
Im Gegensatz zu den meisten bisherigen Ansätzen arbeitete das Antonietti-Team mit metallfreien Katalysatoren und orientierte sich dabei an Pflanzen: Die Photosynthese in Grünpflanzen verläuft über eine wichtige Zwischenstufe, die Bindung des CO2 an Stickstoffatome in Form so genannter Carbamate. Und so experimentierten auch die deutschen Wissenschaftler mit stickstoffreichen Katalysatoren, die so aufgebaut sind, dass sie Carbamate bilden können. Ihre neue Katalysatorklasse ist aus flachen, graphitartigen Schichten aufgebaut. Die einzelnen Schichten bestehen aus Ringsystemen von Kohlenstoff- und Stickstoffatomen. Das als graphitisches Kohlenstoffnitrid bezeichnete Material ist sehr temperaturstabil, chemisch sehr aktiv, aber so stabil, dass es sich fast immer zurückbildet: ein idealer Katalysator also. Selbst Kohlendioxid lässt sich damit aktivieren. So gelang es, Benzol zu Phenol zu oxidieren. Gleichzeitig entsteht Kohlenmonoxid (CO), das direkt für chemische Synthesen verwendet werden kann.
Rein formal gesehen wird bei der Reaktion CO2 in ein Sauerstoff-Diradikal und CO gespalten. Die Reaktion scheint aber wie die Photosynthese über Carbamate zu laufen: Im ersten Schritt bindet CO2 an einzeln vorhandene freie Aminogruppen des Kohlenstoffnitrids, oxidiert dann Benzol zu Phenol, und am Ende spaltet sich das verbliebene CO vom Katalysator ab. "So könnte eine neuartige, bisher unbekannte CO2-Chemie zugänglich werden," hofft Antonietti. "Vielleicht ist dies sogar der erste Schritt in Richtung einer künstlichen Photosynthese."
Originalveröffentlichung: Markus Antonietti et al.; "Metal-Free Activation of CO2 by Mesoporous Graphitic Carbon Nitride"; Angewandte Chemie 2007, 119, No. 15.
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