Röntgenstrahlen machen sichtbar, wie eine der stärksten Bindungen der Natur zerbricht

Der Einsatz kurzer Röntgenlichtblitze bringt Wissenschaftler der Entwicklung besserer Katalysatoren zur Umwandlung des Treibhausgases Methan in eine weniger schädliche Chemikalie einen großen Schritt näher. Das Ergebnis, veröffentlicht in der Zeitschrift Wissenschaftenthüllt erstmals, wie Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen von Alkanen aufbrechen und wie der Katalysator bei dieser Reaktion funktioniert.

Methan, eines der stärksten Treibhausgase, wird durch die Viehhaltung und das anhaltende Auftauen des Permafrosts immer häufiger in die Atmosphäre freigesetzt. Die Umwandlung von Methan und längerkettigen Alkanen in weniger schädliche und tatsächlich nützliche Chemikalien würde die damit verbundenen Gefahren beseitigen und wiederum einen riesigen Rohstoff für die chemische Industrie verfügbar machen. Allerdings erfordert die Umwandlung von Methan als ersten Schritt das Aufbrechen einer CH-Bindung, einer der stärksten chemischen Bindungen in der Natur.

Vor vierzig Jahren wurden molekulare Metallkatalysatoren entdeckt, die CH-Bindungen leicht spalten können. Das Einzige, was sich als notwendig erwies, war ein kurzer sichtbarer Lichtblitz, um den Katalysator „einzuschalten“, und wie durch Zauberei werden die starken CH-Bindungen der in der Nähe vorbeiziehenden Alkane leicht und fast ohne Energieaufwand aufgebrochen. Trotz der Bedeutung dieser sogenannten CH-Aktivierungsreaktion blieb über Jahrzehnte hinweg unbekannt, wie dieser Katalysator diese Funktion erfüllt.

Die Forschung wurde von Wissenschaftlern der Universität Uppsala in Zusammenarbeit mit dem Paul Scherrer Institut in der Schweiz, der Universität Stockholm, der Universität Hamburg und dem European XFEL in Deutschland geleitet. Zum ersten Mal konnten die Wissenschaftler dem Katalysator direkt bei der Arbeit zusehen und zeigen, wie er diese CH-Bindungen aufbricht.

In zwei Experimenten am Paul Scherrer Institut in der Schweiz konnten die Forscher den empfindlichen Elektronenaustausch zwischen einem Rhodiumkatalysator und einer Oktan-CH-Gruppe beim Aufbrechen verfolgen. Mit zwei der leistungsstärksten Röntgenblitzquellen der Welt, dem Röntgenlaser SwissFEL und dem Röntgensynchrotron Lichtquelle Schweiz, konnte die Reaktion von Anfang bis Ende verfolgt werden. Die Messungen zeigten die anfängliche lichtinduzierte Aktivierung des Katalysators innerhalb von 400 Femtosekunden (0,0000000000004 Sekunden) bis zum endgültigen Aufbrechen der CH-Bindung nach 14 Nanosekunden (0,000000014 Sekunden).

„Die von uns durchgeführten zeitaufgelösten Röntgenabsorptionsexperimente sind nur an Großanlagen wie dem SwissFEL und der Synchrotron Lichtquelle Schweiz möglich, die extrem helle und kurze Röntgenpulse liefern. Der Katalysator ist in eine dichte Oktanlösung eingetaucht, aber.“ Indem wir die Perspektive des Metalls einnehmen, könnten wir gezielt die eine CH-Bindung aus Hunderttausenden auswählen, die zum Brechen gebracht wird“, erklärt Raphael Jay, Forscher an der Universität Uppsala und leitender Experimentator der Studie.

Um die komplexen experimentellen Daten zu interpretieren, haben sich Theoretiker der Universitäten Uppsala und Stockholm zusammengetan und fortgeschrittene quantenchemische Berechnungen durchgeführt.

„Mit unseren Berechnungen können wir klar erkennen, wie elektronische Ladung genau im richtigen Verhältnis zwischen dem Metallkatalysator und der CH-Gruppe fließt. Wir können sehen, wie Ladung, die vom Metall auf die CH-Bindung fließt, die beiden chemischen Gruppen zusammenklebt „Die entgegengesetzte Richtung wirkt stattdessen wie eine Schere, die schließlich das C- und das H-Atom auseinanderbricht“, erklärt Ambar Banerjee, Postdoktorand an der Universität Uppsala.

Die Studie löst ein 40 Jahre altes Rätsel darüber, wie ein aktivierter Katalysator tatsächlich starke CH-Bindungen aufbrechen kann, indem er Teile von Elektronen vorsichtig austauscht, ohne dass große Temperaturen oder Drücke erforderlich sind. Mit ihrem neuen Werkzeug wollen die Forscher als nächstes lernen, wie man den Elektronenfluss lenkt, um bessere Katalysatoren für die chemische Industrie zu entwickeln, um aus Methan und anderen Alkanen etwas Nützliches zu machen.