Der Ausstoß von Treibhausgasen trägt erheblich zur globalen Erwärmung bei. Einen wesentlichen Anteil an dieser Entwicklung haben nicht nur Kohlendioxid (CO2), sondern auch fluorhaltige Gase – darunter sogenannte per- oder polyfluorierte Kohlenwasserstoffe, kurz PFC. Forscher des Instituts für Organische Chemie der Universität Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. Michael Mastalerz haben kürzlich neue kristalline Materialien entwickelt, die die Moleküle solcher Kohlenstoff-Fluor-Bindungen selektiv adsorbieren können. Die Heidelberger Forscher hoffen, dass diese porösen Kristalle für die gezielte Bindung und Rückgewinnung von PFCs nützlich sein können.
Polyfluorierte Kohlenstoffe sind organische Verbindungen unterschiedlicher Länge, in denen die Wasserstoffatome von Alkanen teilweise oder vollständig durch Fluoratome ersetzt sind. Diese Atome sind chemisch sehr stabil. Sie kommen in der Natur nicht allgegenwärtig vor und werden hauptsächlich für Ätzprozesse in der Halbleiterindustrie, in der Augenchirurgie und in der medizinischen Diagnostik als Kontrastverstärker für bestimmte Ultraschalluntersuchungen verwendet.
„Anders als CO2, das in natürliche Stoffkreisläufe eingebunden ist, reichern sich PFC in der Atmosphäre an und verbleiben dort mehrere tausend Jahre, bevor sie abgebaut werden“, sagt Prof. Mastalerz. Im Vergleich zu Kohlendioxid haben PFCs daher ein viel größeres Treibhauspotenzial – die Wirkung eines PFC-Moleküls entspricht praktisch 5.000 bis 10.000 CO2-Molekülen. Das macht die polyfluorierten Kohlenwasserstoffe laut dem Forscher zu einem Dauerproblem, das jetzt nicht nur zur Erderwärmung beiträgt, sondern sie auch beschleunigt.
Prof. Mastalerz hat mit seiner Forschungsgruppe am Institut für Organische Chemie der Universität Heidelberg ein neuartiges kristallines Material entwickelt, das polyfluorierte Kohlenwasserstoffe hochselektiv adsorbieren und an seiner inneren Oberfläche binden kann. Die porösen Kristalle basieren auf formbeständigen organischen Käfigverbindungen, die an den miteinander verbundenen Streben fluorhaltige Seitenketten tragen. Diese Seitenketten reagieren nach dem Prinzip „Gleiches zieht Gleiches an“ über Fluor-Fluor-Wechselwirkungen mit den PFC-Molekülen und sorgen so für deren Ablagerung auf der Materialinnenseite.
In ihren Experimenten wiesen die Heidelberger Forscher nach, dass die von ihnen entwickelten Kristalle bestimmte fluorhaltige Gase wie Octafluorpropan oder Octafluorcyclobutan etwa 1.500- bis 4.000-mal stärker binden als Distickstoff, den Hauptbestandteil der Luft. Laut Prof. Mastalerz stehen diese Zahlen für außerordentlich hohe Selektivitäten, um solche PFCs zu binden.
Derzeit arbeiten Prof. Mastalerz und sein Team daran, die Selektivität der Kristalle weiter zu erhöhen und das Verfahren auf andere fluorierte Gase, wie sie beispielsweise in der medizinischen Anästhesie verwendet werden, zu übertragen. „Ich sehe hier enormes Entwicklungspotenzial“, sagt der Forscher. Er hofft, dass das Adsorbens zur Rückgewinnung von polyfluorierten Kohlenwasserstoffen an ihrem Verwendungsort verwendet werden kann.
Die Forschungsergebnisse wurden in veröffentlicht Fortgeschrittene Werkstoffe.
Ke Tian et al, Hochselektive Adsorption von perfluorierten Treibhausgasen durch poröse organische Käfige, Fortgeschrittene Werkstoffe (2022). DOI: 10.1002/adma.202202290