Der FKW-Killer

Fluorkohlenwasserstoffe (FKWs), häufig zum Einsatz kommende Chemikalien, die gebildet werden, indem Kohlenstoff an Fluor gebunden wird, sind starke Klimakiller und können sich außerdem in giftigen Verbindungen in der Natur anreichern. Ihre umweltfreundliche Neutralisierung ist allerdings schwierig: Der dazu momentan verwendete Prozess benötigt sehr hohe Temperaturen und ist dementsprechend teuer. Forscher an der Brandeis University haben nun eine neue Methode entwickelt, die den Abbau von FKWs erleichtern soll: Einen Katalysator, der die Kohlenstoff-Fluor-Verbindungen bei Raumtemperatur aufbrechen kann.

Die Stärke ihrer chemischen Bindung macht FKWs in verschiedenen Produkten wertvoll – egal ob in schmutzresistenten Stoffen, Küchenutensilien, an denen nichts kleben bleibt, oder in Kühlmitteln. Doch genau diese eigentlich nützlichen Eigenschaften machen sie so schwer abbaubar. Eine Variante der Materialklasse, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), ist inzwischen nach dem Protokoll von Montreal weitgehend verboten, doch die zwei anderen Haupttypen sind noch immer ein Umweltproblem.

Typ 1 wird heute statt FCKWs in Kühlschränken und Klimaanlagen verwendet. Entweichen diese Kühlmittel in die Umwelt, agieren sie als Klimagase – und sind dabei rund 1000 Mal potenter als Kohlendioxid.

Ein anderer FKW-Typ wird in vielen Medizinanwendungen genutzt, beispielsweise in Blutersatzstoffen. Auch er ist ein kräftiges Klimagas und gelangt als Nebenprodukt der Aluminiumindustrie in die Umwelt. Einige Varianten sind außerdem giftig und können sich in der Nahrungskette anreichern, was das Risiko von Krebs, Geburtsfehlern und anderen Gesundheitsproblemen auch beim Menschen erhöhen kann.

Oleg Ozrov, Leiter der Brandeis-Studie, fand nun einen Weg, die Kohlenstoff-Fluor-Bindung mit einem siliziumbasierten Katalysator aufzubrechen. Er kann die Reaktion zudem immer und immer wieder auslösen.

"Dabei kommen drei Dinge zusammen: Der Fluorkohlenwasserstoff, eine Wasserstoffquelle und ein Katalysator, der zwischen beiden vermittelt, um das Fluor gegen Wasserstoff auszutauschen", sagt Ozerov. Der aktive Teil des Katalysators ist eine positiv geladene Silizium-Mischung, die die Reaktion startet, indem Fluor aus dem Fluorkohlenwasserstoff herausgezogen wird.

Daraufhin wird ein Wasserstoffmolekül aus dem siliziumbasierten Material freigesetzt. Geht dort ein Wasserstoff verloren, wechselt das siliziumbasierte Material in einen anderen Zustand, der es erlaubt, die Reaktion weiter fortzusetzen.

Um den Katalysator zu erzeugen, mussten Ozerov und sein Kollege Christos Douvris ihn zunächst stabilisieren. Dazu wird ein äußert reaktionsarmes, negativ geladenes Ion hinzu gegeben, das auf die Zielreaktion so wenig wie möglich Einfluss nehmen darf. Die Endprodukte der Reaktion, Kohlenwasserstoffe und Fluorsilane, besitzen keine klimaschädlichen Eigenschaften mehr und lassen sich deshalb leichter entsorgen.

Ozerov und Douvris erprobten ihre Katalysemethode an drei Fluorkohlenwasserstoff-Testsubstraten. In jedem der Fälle gelang es ihnen, nahezu das gesamte Material reagieren zu lassen. Ein Substrat benötigte nur sechs Stunden, um vollständig abgebaut zu sein – bei gerade einmal 25 Grad.

Robin Perutz, Katalyse-Experte an der University of York in Großbritannien, meint, dass Ozerov und Douvris Methode eine "beeindruckende Entdeckung" sei. "Es ist wirklich wichtig, problematische Fluorkohlenwasserstoffe in etwas wesentlich Harmloseres zu verwandeln. Derzeit geht das nur mit einer starken Hochtemperaturchemie." Dass das nun so gut bei Raumtemperatur funktioniere, sei ein wichtiger Schritt nach vorne, die unerwünschten FKWs abzubauen.

Noch gibt es allerdings ein paar Herausforderungen, die die Brandeis-Forscher lösen müssen, um ihre Methode in großem Maßstab zu nutzen. So muss noch eine billigere Quelle für die siliziumbasierten Reagenzien gefunden werden, räumt Ozerov ein.

Veronique Garny, Direktorin der "Fluorinated Chemicals Group" des europäischen Rats der Chemieindustrie, glaubt, dass es auch dann für die neue Methode schwierig werden könnte. Fluorsilane, gibt Ozerov zu, hätten einen gewissen Grad an Giftigkeit - doch der lasse sich leicht durch Weiterverarbeitung eindämmen. Garny meint jedoch, dass die bestehenden Techniken einfacher seien und vollständig ungiftige Endprodukte hinterließen. "Sie funktionieren außerdem auch mit kontaminierten Ausgangsmaterialien, das muss Ozerovs Prozess erst noch zeigen."

Garny sieht ein größeres Potenzial für die neue Katalyse in Bereichen, in denen feste und flüssige FKWs entsorgt werden müssen, die Land oder Wasser verschmutzen. Experte Perutz sieht hier allerdings das Problem, dass diese besonders schwer abzubauen sind, weil sie oft über sehr starke Fluor-Kohlenstoff-Verbindungen verfügten. Ozerov und Douvris haben ihre Methode hier noch nicht getestet. "Noch sind die Kollegen ganz am Anfang. Der erste Schritt ist jedoch bereits viel versprechend und zeigt eine Menge Potenzial", sagt Experte Perutz. (bsc)