Wie kann man dem Treibhausgas Methan den Garaus machen? Brechen Sie eine der stärksten Bindungen der Natur

Neu-Delhi: Durch das Beschießen eines Metallkatalysators mit kurzen Röntgenblitzen konnten Wissenschaftler Methan (CH4), eines der stärksten Treibhausgase, abbauen und so in eine weniger gefährliche Verbindung umwandeln.

Sie haben zum ersten Mal eine 40 Jahre alte Theorie beobachtet und erklärt, welche chemischen Prozesse bei der Spaltung der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung (CH) ablaufen, ohne dabei Energie zu verbrauchen.

Die Forschung, die am 1. Juni in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, wurde von Wissenschaftlern der schwedischen Universität Uppsala in Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut in der Schweiz, der Universität Stockholm, der Universität Hamburg und dem European XFEL, einer Röntgenforschungslaseranlage in Deutschland, geleitet.

Durch die Tierhaltung und das anhaltende Auftauen gefrorener Böden auf der ganzen Welt wird Methan immer schneller in die Umwelt freigesetzt.

Durch die Umwandlung in weniger gefährliche und tatsächlich nützliche Verbindungen würden die damit verbundenen Gefahren beseitigt und nützliche Chemikalien wie Ethanol und Methanol bereitgestellt.

Der Prozess erfordert jedoch als ersten Schritt das Aufbrechen einer CH-Bindung, einer der stärksten chemischen Bindungen der Natur.

Der Grund dafür, dass die Bindung so stark ist, liegt darin, dass das Wasserstoffatom viel kleiner als das Kohlenstoffatom ist, was zu einer höheren Bindungsenergie führt. Aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Kernen beider besteht eine größere Anziehungskraft.

Vor vierzig Jahren hatten Forscher herausgefunden, dass molekulare Metallkatalysatoren CH-Bindungen spalten können, wobei ein kurzer sichtbarer Lichtblitz den Katalysator aktivieren und die Methanverbindung abbauen konnte. Diese Studie verdeutlicht jedoch, dass ein Austausch in Bruchteilen von Elektronen stattfindet, der keine drastischen Temperatur- oder Druckänderungen erfordert.

„Es gibt vier CH-Bindungen in Methan und wenn wir nur eine aufbrechen können, kann die Verbindung in etwas Nützliches umgewandelt werden. Der übliche Energieaufwand zum Aufbrechen der Bindung ist unwirtschaftlich. Aber mit der Verwendung von Lichtenergie kann sie aufgebrochen und umgewandelt werden.“ in andere nützliche Chemikalien wie Ethanol oder Methanol“, sagte Ambar Banerjee, Hauptautor der Studie, gegenüber ThePrint.

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Das Team verwendete einen Rhodiumkatalysator, der in eine Lösung mit hoher Oktanzahl gegeben wurde, um Experimente in einer Technik namens Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) durchzuführen. Sie nutzten zwei der leistungsstärksten Röntgenblitzquellen der Welt – den Röntgenlaser SwissFEL und das Röntgensynchrotron Swiss Light Source.

Die Bindung brach schnell auf, da die anfängliche Aktivierung des Katalysators durch die Röntgenstrahlen innerhalb von 400 Femtosekunden (0,0000000000004 Sekunden) erfolgte, während die endgültige CH-Bindung nach 14 Nanosekunden (0,000000014 Sekunden) brach.

Anschließend führten die Forscher fortgeschrittene quantenchemische Berechnungen durch und identifizierten, wie eine elektrische Ladung zwischen dem Metallkatalysator und der CH-Gruppe fließt. Sie konnten beobachten, wie eine Ladung vom Metall auf die CH-Bindung floss und wie ein Klebstoff wirkte, der sie an das Metallzentrum bindet. Aber während eines umgekehrten Elektronenflusses vom Metall zur CH-Bindung bricht die Bindung, da der Fluss „wie eine Schere wirkt“, sagte Banerjee.

„…auf der Grundlage dieser Erkenntnisse kann ein intelligentes Design effizienterer Katalysatoren entwickelt werden, die die CH-Bindung leichter aufbrechen können. Effizientere Katalysatoren würden eine bessere und wirtschaftlichere Nutzung dieser verschwendeten Ressource Methan bedeuten“, sagte er.

(Herausgegeben von Smriti Sinha)

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