Poröses Eisenoxid-Material soll Ozon aus der Raumluft entfernen

(18.8.2011) Wenn es im Sommer heiß ist und der Autoverkehr rollt, könnte es wieder Ozonalarm und Fahrverbote geben. Ozon entsteht, wenn Stickoxide aus Abgasen unter Einwirkung von UV-Strahlung ein Sauerstoffatom freisetzen, das sich mit einem Sauerstoffmolekül (O₂) zu einem Ozonmolekül (O₃) verbindet. Auch Geräte, wie Fotokopierer und Laserdrucker, setzen das gesundheitsschädliche Gas frei. Ein Team um Thomas Mathew und Kenichirou Suzuki von Toyota Central R&D Labs (Japan) stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie (Ausgabe 2011, 123, No. 32) nun ein eisenoxidhaltiges Material vor, das den Weg zu einer neuen Generation von Ozonfiltern eröffnen könnte.

Die große Zahl ungesättigter Fe-Oberflächenzentren macht mesoporöses Zwei-Banden-Ferrihydrit zu einem effektiven Fänger von O₃, das an drei- (Ladungstransfer von Blau zu Orange links im Bild) wie auch vierfach koordinierte Zentren adsorbieren kann (rechts). Von Vorteil für die gute Wechselwirkung mit O₃ ist offenbar die weniger dichte Packung von Sauerstoff um die Fe-Positionen mit Elektronen, die stärker an den gut strukturierten Fe-3d-Zuständen dieser mesoporösen Eisenoxide lokalisiert sind.

Ozon (O₃) ist ein gefährlicher Luftschadstoff, der Atemwege und Augen reizt sowie Kopfschmerzen verursacht. Zudem beeinträchtigt er das Pflanzenwachstum und soll beim Waldsterben eine Rolle spielen. Der typische „Ozongeruch“ älterer Fotokopierer und Laserdrucker stammt nicht vom Ozon selber, sondern von Reaktionsprodukten. Die meisten Geräte sind inzwischen mit Filtern ausgestattet, die Ozon umwandeln. In Flugzeugen sind Ozonfilter unabdingbar, denn Ozon kommt in Flughöhe in hoher Konzentration vor und gelangt ins Kabineninnere.

Bisherige Materialien zur Eliminierung von Ozon haben eine Reihe von Nachteilen:

• manche benötigen organische Additive,
• andere kommen nicht ohne teure Metalle aus,
• diverse sind alles andere als umweltfreundlich und
• die meisten nicht flexibel genug für einen breiten Einsatz in verschiedenen Anwendungen.

Das japanische Team berichtet nun von einem neuen vielversprechenden Ozon-Fänger - nämlich von einem Zwei-Banden-Ferrihydrit, einem Mineral aus Eisen, Sauerstoff und Wasser. Die Forscher stellen es mit Hilfe verschiedener Zusatzstoffe und Lösemittel in einem Selbstorganisationsprozess her. Das hochporöse Material besteht aus sehr kleinen aggregierten Nanokristallen und verdankt seinen Namen der Röntgenbeugung, einer Analysenmethode zur Strukturbestimmung, bei der es zwei Banden zeigt.

Warum ist Zwei-Banden-Ferrihydrit ein so besonders guter Ozon-Fänger?

Zunächst hat das Material dank der Poren und seines Aufbaus aus Nanopartikeln eine sehr hohe innere Oberfläche. Im Vergleich zu anderen eisenoxidischen Mineralen zeigt es einen besonders hohen Anteil an ungesättigten, reaktiven Eisenzentren auf seiner Oberfläche. Sie haben weniger Sauerstoffatome in ihrer nächsten Nähe als die Eisenatome im Innern des Minerals. Solche isolierten Eisenoxid-Einheiten absorbieren Ozon besonders gut. An das Eisen gebunden, spaltet sich das Ozon in ein Sauerstoffmolekül und ein hochreaktives Sauerstoffatom, das mit einem zweiten Sauerstoffatom zu O₂ reagieren kann.

Das neue Material könnte herkömmliche Ozonfilter in Geräten und Flugzeugen ersetzen. Ein weiteres Anwendungsfeld wären Belüftungssysteme und Klimaanlagen für Häuser und Büros. Es könnte auch das nicht abreagierte Ozon bei Ozon-Verfahren abfangen, die in der Wasserreinigung und bei der Beseitigung von unangenehmen Gerüchen, z.B. Rauchgeruch aus Fahrzeuginnenräumen, üblich sind.