Это давняя мечта: удалить из атмосферы инертный парниковый газ двуокись углерода и использовать его в качестве основного материала для химической промышленности. Это могло бы решить сразу две основные проблемы, сдержав изменение климата и в то же время снизив зависимость от нефти. Физико-химики из Боннского университета вносят значительный вклад в это видение. Они открыли новый способ создания высокореактивной формы двуокиси углерода с помощью лазерных импульсов. Результаты были заранее опубликованы в Интернете и вскоре будут представлены в печатном издании журнала «Angewandte Chemie."
Каждый день природа показывает людям, как элегантно связывать углекислый газ из воздуха и превращать его в столь необходимое сырье. Растения осуществляют фотосинтез своими зелеными листьями при воздействии света. Кислород и столь необходимый поставщик энергии и питательных веществ сахар создаются из углекислого газа и воды с помощью солнечного света.
«Ученые уже давно пытаются воспроизвести эту модель, например, для того, чтобы использовать углекислый газ в химической промышленности», - говорит профессор, доктор Петер Фёрингер из Института физической и теоретической химии Боннский университет. Что делает эту концепцию трудной для реализации, так это то, что очень трудно подтолкнуть углекислый газ к новым партнерским отношениям с другими молекулами.
Со своей командой физико-химик открыл новый способ получения высокореактивного варианта инертного и трудно связываемого парникового газа. Исследователи использовали так называемый комплекс железа: центр содержит положительно заряженный атом железа, с которым уже несколько раз связаны составляющие углекислого газа. Ученые выстрелили в этот комплекс железа ультракороткими лазерными импульсами ультрафиолетового света, которые разорвали определенные связи. В результате получился так называемый углекислотный радикал, который также образует новые связи с определенной радикальностью.
Такие радикалы имеют единственный электрон во внешней оболочке, который срочно хочет навсегда привязаться к другой молекуле или атому. «Именно этот неспаренный электрон отличает наш реактивный анион-радикал, связанный с центральным атомом железа, от инертного диоксида углерода и делает его таким многообещающим для химических процессов», - объясняет ведущий автор Штеффен Штрауб из команды Фёрингера. Радикалы, в свою очередь, могут быть строительными блоками для интересных химических продуктов, таких как метанол в качестве топлива или мочевина для химического синтеза и салициловая кислота в качестве обезболивающего.
Спектрометр показывает работу молекул
С помощью своего лазерного и инфракрасного спектрометра, большого прибора в подвале института, ученые наблюдают за работой молекул. Спектрометр измеряет характерные колебания молекул, и этот «отпечаток пальца» позволяет им идентифицировать связи между различными атомами. «Формирование радикала углекислого газа в комплексе железа изменяет связи между атомами, что снижает частоту характерных колебаний углекислого газа», - объясняет Штрауб.
С судебным чутьем ученые смогли доказать, что лазерные импульсы действительно производят реактивный радикал углекислого газа. Сначала команда смоделировала колебательные спектры молекул на компьютере, а затем сравнила расчеты с измерениями. Результат: Моделирование и эксперимент действительно отлично совпали. Подобно «молекулярному кинофильму», спектрометр делал «моментальные снимки» с невообразимым временным разрешением в миллионные миллиардные доли секунды. Таким образом, на основе спектров, соответствующих отдельным изображениям пленки, можно выявить, по существу, в замедленной съемке, как комплекс железа деформируется под действием импульсного лазерного излучения в несколько этапов, происходит разрыв связей и, наконец, радикал сформировался.
«Наши результаты могут коренным образом изменить представление о том, как извлекать из атмосферы углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, и использовать его для производства важных химических продуктов», - говорит Фёрингер. Однако для промышленного использования все еще необходимо разработать подходящие катализаторы, поскольку лазерные импульсы неэффективны для крупномасштабной конверсии. «Тем не менее, наши результаты дают представление о том, как должен быть спроектирован такой катализатор», - добавляет ученый. Текущее исследование соответствует междисциплинарным ключевым областям устойчивого развития, а также исследованиям материи в Боннском университете.