Ozon zugleich entdecken und abbauen

Die Sauerstoffvariante Ozon ist ein gefährlicher Schadstoff, der die Lunge angreift. Chinesische Wissenschaftler haben jetzt ein Material entwickelt, mit dem sich Ozon nicht nur aufspüren, sondern gleich auch unschädlich machen lässt.

Atembeschwerden, Lungenschäden und sogar Asthmaanfälle kann ein zu hoher Gehalt an Ozon in der Luft auslösen. Auch deshalb bedarf es entsprechender Arbeitsschutzvorschriften, um die Konzentration von Ozon am Arbeitsplatz zu begrenzen.

Dafür sind Detektoren nötig. Bisher erfolgte dies meist auf Basis von Halbleitern, die allerdings viel Strom verbrauchen, meist nur eine geringe Selektivität aufweisen und störanfällig sind, wenn die Luft zu feucht ist. Der Abbau von Ozon erfolgt dann meist mit Aktivkohle, über einen chemischen Absorber oder durch katalytische Spaltung.

Einmal erkannt, gleich gebannt

Ein Wissenschaftsteam um Zhenjie Zhang von der Universität Nankai in der chinesischen Stadt Tianjin wollte ein Material entwickeln, bei dem das Ozon sowohl rasch detektiert als auch effektiv entfernt wird. Der Ansatz des Teams beruht auf sogenannten kovalenten organischen Gerüsten (covalent organic frameworks, COFs).

COFs sind zwei- oder dreidimensionale organische Feststoffe mit ausgedehnten porösen kristallinen Strukturen, deren Bausteine über starke kovalente Bindungen miteinander verbunden sind. Sie lassen sich maßschneidern, indem die Bausteine für die jeweilige Anwendung exakt gewählt wird.

Kristalline Gerüste aus aromatischen Ringsystemen

Für ihre Zwecke wählten die Forschenden aromatische Ringsysteme für ihre hochkristallinen COFs aus. Diese seien sehr leicht herzustellen. Verknüpft wurden die jeweiligen Bausteine über spezielle Verbindungsstücke, sogenannte Imin-Gruppen, bei denen ein Stickstoffatom über eine Doppelbindung mit einem Kohlenstoffatom verbunden ist.

Diese Imin-Gruppen bilden sozusagen das Zentrum des Geschehens. Ist Ozon anwesend, zeigen sie dies durch eine sehr rasche Farbänderung von Gelblich nach Orange-Rot an. Sie ist schon mit dem bloßen Auge zu erkennen. Registriert wird sie von einem Spektrometer.

Funktionstüchtig auch bei hoher Luftfeuchtigkeit

Viele andere Detektoren sind extrem empfindlich bei Feuchtigkeit und bestimmten Temperaturen. Nicht so die Imin-COFs. Sie funktionieren sehr zuverlässig, empfindlich und effizient auch bei hoher Luftfeuchtigkeit und in einem breiten Temperaturbereich. Ist Wasser anwesend, binden die Wassermoleküle vorzugsweise an die Imin-Gruppen. Dabei wird, so die Vermutung des chinesischen Teams, ein Hydroxid-Ion (OH−) frei, das mit dem Ozon reagiert. Dabei verbleibt das positiv geladene Wasserstoffion an der Imin-Gruppe und sorgt für die Farbänderung.

Bei einem Ozonüberschuss oder wenn die Luft völlig trocken ist, bindet das überschüssige Ozon an die Imin-Gruppen und spaltet sie unter Abbau von zwei Molekülen Ozon. Auch dabei kommt es zu einer Farbänderung und die kristalline Struktur zerfällt nach und nach. Das Imin-COF detektiert Ozon also nicht nur, sondern baut das Schadgas auch zuverlässig und effizient ab. Dabei ist es effektiver als viele der traditionellen Materialien.