Das zu Recht als Klimagas apostrophierte Kohlendioxid, mausert sich immer zum wertvollen Rohstoff. Die chemische Industrie nutzt ihn zum Aufschäumen und als Rohstoff für die Herstellung von Treibstoffen für Autos und Flugzeuge wird es immer wichtiger. Jetzt ist ein besonders attraktives Produkt dazugekommen. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie stellen daraus einen der interessantesten Werkstoffe der Welt her: Graphen, nur eine Atomlage dicke Kohlenstoffatome, die bienenwabenförmig angeordnet sind. Obwohl unvorstellbar dünn, kann es im Vergleich zu seinem Eigengewicht mehr Kräfte aufnehmen als der beste Edelstahl. Außer vielen anderen erstaunlichen Eigenschaften ist es als Basismaterial für eine neue Elektronik überaus interessant.


Graphene - Material kann Energiegewinnung verdoppeln
Bienenwabenstruktur von Graphen

Fotosynthese war das Vorbild

Das Vorbild für diesen Prozess fanden die Forscher in der Natur, genauer in der Fotosynthese. In den Blättern von Pflanzen entsteht aus Licht, Wasser und Kohlendioxid neue Biomasse. Dabei übernimmt das metallbasierten Enzym RuBisCo die Aufgabe, das Kohlendioxid aus der Luft aufzunehmen und für die weiteren chemischen Reaktionen in der Pflanze nutzbar zu machen.

Kohlendioxid (rot-schwarz) und Wasserstoff (grau) reagieren auf Kupfer-Palladium Oberflächen katalytisch zum Technologiematerial Graphen (schwarz). (Abbildung: E. Moreno-Pineda, KIT)

Einen ähnlichen Prozess haben die KIT-Forscher jetzt entwickelt. Dabei überführen sie das Treibhausgas Kohlendioxid zusammen mit Wasserstoff mit Hilfe von speziell präparierten, katalytisch aktiven Metalloberflächen bei Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius direkt in Graphen. „Wenn die Metalloberfläche das richtige Verhältnis von Kupfer und Palladium aufweist, findet die Umwandlung von Kohlendioxid zu Graphen direkt in einem einfachen einstufigen Prozess statt“, sagt der Leiter der Forschungsgruppe, Professor Mario Ruben vom Arbeitskreis Molekulare Materialien am Institut für Nanotechnologie und am Institut für Anorganische Chemie des KIT.


Basis für Batterien und Quantencomputer

Einlagiges Graphen wird nur in bestimmten Fällen benötigt. Meist sind es, etwa für die Elektroden von Batterien, für Filter und elektronische Bauteile, mehrlagige Graphen-Folien, die die jeweilige Aufgabe übernehmen. Es gelang, auch diese Variante in einem einstufigen Prozess herzustellen. Das nächste Ziel ist die Herstellung von funktionsfähigen elektronischen Bauteilen aus dem Graphen auf Kohlendioxid-Basis. Kohlenstoffmaterialien wie Graphen könnten gemeinsam mit magnetischen Molekülen Bausteine für zukünftige Quantencomputer sein, die ultraschnelle und energieeffiziente Berechnungen ermöglichen.

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