Chemie: Mit neuen Katalysatoren gegen Plastikmüll und CO2

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"Nichts ist bedeutender in jedem Zustande, als die Dazwischenkunft eines Dritten." Mit diesem Satz beginnt der Roman "Die Wahlverwandtschaften", mit dem Johann Wolfgang von Goethe 1809 die zwischenmenschlichen Wirren betrachtet, die ein Fremder unter Freunden, Ehegatten oder Liebenden auslösen kann. Gleichzeitig hat Goethe damit einem der wichtigsten Prinzipien der Chemie ein literarisches Denkmal gesetzt. Denn es ist das Motiv des Katalysators, das sich wie ein roter Faden durch das Buch zieht. Von außen hinzukommende Personen mischen darin den Reigen der Protagonisten jedes Mal neu. Der Naturforscher Goethe lässt seine Figuren sogar selbst die Analogie zu chemischen Reaktionen ziehen – auch wenn sie dabei nicht das Wort Katalysator verwenden. Denn das wurde erst 1835 vom schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius erfunden.

Aber im Unterschied zu den Wahlverwandtschaften geht die Geschichte der Katalysatoren gut aus. Sie endet nicht mit einem Auseinanderbrechen menschlicher Beziehungen, sondern öffnet die Tür zu einer neuen Art des Wirtschaftens: Katalysatoren könnten wirklich grünen Kraftstoff möglich machen, die Umwelt von Plastikmüll befreien oder Kohlendioxid aus der Luft zurück in deponierbare Kohle verwandeln. Neue Entwicklungen in diesem Feld helfen, ein paar drängende Probleme der Menschheit zu lösen.

Katalysatoren kurz erklärt

Das klassische Beispiel ist die Knallgasreaktion. Bringt man die hochreaktiven Gase Wasserstoff und Sauerstoff zusammen, passiert erst mal gar nichts. Sie sind nämlich beide fest in Paaren aus jeweils zwei Atomen gebunden. Mit einem Streichholz könnte man nun die notwendige Energie aufbringen, um sie zu trennen.

Doch es geht auch anders: Leitet man das Gasgemisch auf poröses Platin, so schießt mit lautem Knall ganz von allein eine Flamme heraus – der Wasserstoff wurde vom Sauerstoff zu Wasser verbrannt. Der Jenaer Chemiker Johann Wolfgang Döbereiner konstruierte nach diesem Prinzip 1823 sogar ein Feuerzeug.

Das Experiment zeigt wichtige Prinzipien eines Katalysators:

1. Er lenkt eine chemische Reaktion in eine bestimmte Richtung und wird dabei selbst nicht verbraucht. Katalysatoren senken die Menge an Energie, die zum Start der Reaktion benötigt wird, die sogenannte Aktivierungsenergie. Sie verändern jedoch nicht die Energiebilanz der gesamten Reaktion. Um dies zu verdeutlichen, hilft das Bild einer steilen Felswand. Ein Katalysator gleicht einer Leiter, die man anlegt, um die Steilwand zu bewältigen. Sie ermöglicht das Weiterkommen, obwohl der insgesamt zu bewältigende Höhenunterschied gleich bleibt.

2. Katalysatoren entfalten ihre Wirkung oft über schwache elektrische Anziehungskräfte, die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte. Mit ihnen zieht etwa das Platin die Atompaare an seine Oberfläche und spaltet sie dort.

3. Eine große Oberfläche, etwa durch eine poröse Struktur, vereinfacht diesen Prozess. Dann können sich die Atome der reagierenden Substanzen in den Zwischenräumen anlagern und die Van-der-Waals-Kräfte besonders gut wirken.

Kohlendioxid binden

Etwa 40 Milliarden Tonnen Kohlendioxid bläst die Menschheit jedes Jahr in die Atmosphäre. Zahlreiche Forscher weltweit versuchen, das Treibhausgas wieder aus der Luft zu holen und so die Erderwärmung zu bremsen. Aber keine der Methoden ist bisher wirtschaftlich. Wird sich das jemals ändern? Torben Daeneke von der RMIT University in Melbourne sieht dafür durchaus eine Chance. Anfang des Jahres publizierte er ein viel beachtetes Experiment. Die Forscher hatten sich einen Effekt zunutze gemacht, der eigentlich der Horror jedes Katalysatorentwicklers ist: die sogenannte Verkokung. Bei Reaktionen von Kohlenwasserstoffen bilden sich feste Nebenprodukte aus kohlenstoffhaltigen Verbindungen, die sich dann ablagern. Das kann den Katalysator unbrauchbar machen. Der Grund für die Ablagerung sind schwache elektrische Anziehungskräfte, die sogenannten Van-der-Waals-Kräfte. Daeneke musste also eine Substanz finden, bei der diese Kräfte nicht auftreten. "Wir verwenden deshalb einen Katalysator aus flüssigem Metall", erklärt der Forscher.

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