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Ein bemerkenswerter mineralogischer Mechanismus wurde an der TU Wien nachgewiesen: Mit Hilfe von Wasser können bestimmte Mineralien CO2 sehr schnell in festes Carbonat umwandeln.
Steine können Kohlendioxid binden – und zwar viel schneller als früher angenommen. Lange dachte man, dass sehr langwierige, langsame Prozesse für die Umwandlung von CO2 in Karbonatgestein verantwortlich sind. Die Bindung von CO2, das industriell in den Boden injiziert wird, würde demnach Jahrhunderte dauern. Beobachtungen aus der Praxis und theoretische Berechnungen ließen allerdings vermuten, dass es auch einen viel schnelleren Weg von CO2 zu Karbonat gibt, nämlich durch die Vermittlung von Wasser, das ähnlich wie ein Katalysator agiert. Dieser vermutete Mechanismus ließ sich nun an der TU Wien erstmals nachweisen – mit bildgebenden Verfahren auf atomarer Skala.
Ein altbekannter Prozess, der Jahrhunderte braucht
Wie kann Kohlendioxid zu Gestein werden? Lange Zeit ging man davon aus, dass dafür zwei Schritte nötig sind: Einerseits muss sich das CO2 in Wasser lösen und geladene Teilchen bilden, andererseits muss sich das Gestein (zum Beispiel Silikat im Boden) teilweise auflösen. Daraus kann sich dann ein neues Material bilden – der Kohlenstoff aus dem Kohlendioxid wird somit dauerhaft ins Gestein eingebaut.
„Das ist allerdings ein sehr träger Prozess“, sagt Giada Franceschi, die gemeinsam mit Prof. Ulrike Diebold am Institut für Angewandte Physik der TU Wien das Projekt leitete. „Auf diese Weise lässt sich nicht erklären, dass in der Natur diese Art von Karbonatgestein oft sehr schnell entsteht. Tests mit industrieller CO2-Injektion in den Boden zeigen, dass 60 % des Kohlenstoffs schon innerhalb von zwei Jahren in Mineralien gebunden werden können. Wenn sich dafür zuerst Ionen aus dem Gestein lösen müssten, würde das Jahrzehnte oder Jahrhunderte dauern.“
Ein direkter Weg, erstmals nachgewiesen
Allerdings wurde schon seit längerer Zeit spekuliert, ob es nicht einen direkteren Weg für Kohlendioxid-Einbau in bestimmte Materialien geben könnte: Bei Anwesenheit von Wassermolekülen an der Mineral-Oberfläche, so die Vermutung, könnte CO2 direkt ins Gestein eingebaut werden, ohne dass vorher das Mineral aufgelöst werden muss, ohne den Umweg über gelöste Ionen, deren Bildung chemisch eher träge ist. Und Wasser ist unter natürlichen Bedingungen rund um diese Mineralien fast immer vorhanden.
Anhand des Minerals Wollastonit konnte das Team an der TU Wien nun zeigen, dass dieser alternative Weg tatsächlich existiert. Möglich wurde das durch hochauflösende Rasterkraftmikroskopie: Die chemischen Prozesse ließen sich auf atomarer Skala direkt beobachten.
Das CO2 muss sich verbiegen
„Wenn sich an der Wollastonit-Oberfläche eine dünne Wasserschicht befindet, dann ändert sich seine Interaktion mit dem Kohlendioxid ganz entscheidend“, erklärt Ulrike Diebold. „Kohlendioxid ist geometrisch gesehen normalerweise völlig gerade. Die beiden Sauerstoffatome, die mit dem Kohlenstoff verbunden sind, zeigen in exakt entgegengesetzte Richtungen. Wasser auf der Wollastonit-Oberfläche kann das Kohlendioxid-Molekül allerdings verbiegen – und dadurch ändern sich seine chemischen Eigenschaften.“
Das „verbogene“ Kohlendioxid-Molekül kann sich nun direkt am Wollastonit anlagern, es geht eine feste Bindung ein – ohne dass Wollastonit dafür zuerst aufgelöst werden müsste. „Ohne Wasser ist das nicht möglich, da fehlt die passende Andockstelle“, sagt Giada Franceschi. „Doch schon eine winzige Menge Wasser genügt, um die Wechselwirkung zwischen CO2 und Wollastonit völlig zu verändern.“
Damit wurde nun erstmals der entscheidende Mechanismus nachgewiesen, der rasche CO2-Abscheidung nicht nur an Wollastonit ermöglicht, sondern höchstwahrscheinlich auch an anderen, ähnlichen Mineralien. „Wenn wir in Zukunft CO2 aus der Atmosphäre holen und dauerhaft für unbegrenzte Zeit speichern wollen, dann müssen wir es in festes Gestein umwandeln“, sagt Ulrike Diebold. „Unsere Messungen zeigen, welche Effekte auf atomarer Skala sich dafür einsetzen lassen.“
Dr. Giada Franceschi
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 134 61
giada.franceschi@tuwien.ac.at
Prof. Ulrike Diebold
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 134 25
ulrike.diebold@tuwien.ac.at
A. Conti et al., Molecular Views of Mineral Carbonation: Reaction of CO2 with the Wollastonite (100) Surface, ASC Nano 20/13 (2026).
Dr. Giada Franceschi
Quelle: TU Wien
Copyright: TU Wien
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, jedermann
Chemie, Meer / Klima, Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
Dr. Giada Franceschi
Quelle: TU Wien
Copyright: TU Wien
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