Kli­ma­schutz: Bay­reu­ther Che­mi­ker ent­wickeln neu­es Mate­ri­al zur CO₂-Abtren­nung aus Industrieabgasen

Symbolbild Bildung

Che­mi­ker der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben ein Mate­ri­al ent­wickelt, das einen wich­ti­gen Bei­trag zum Kli­ma­schutz und zu einer nach­hal­ti­gen Indu­strie­pro­duk­ti­on lei­sten kann. Mit die­sem Mate­ri­al kann das Treib­haus­gas Koh­len­di­oxid (CO₂) aus Indu­strie­ab­ga­sen, Erd­gas oder Bio­gas prä­zi­se abge­trennt und für eine Wie­der­ver­wer­tung bereit­ge­stellt wer­den. Das Trenn­ver­fah­ren ist sowohl ener­gie­ef­fi­zi­ent als auch kosten­gün­stig. In der Zeit­schrift „Cell Reports Phy­si­cal Sci­ence” stel­len die For­scher die Struk­tur und Funk­ti­ons­wei­se des Mate­ri­als vor.

Der 2019 von der Euro­päi­schen Kom­mis­si­on vor­ge­stell­te „Green Deal“ for­dert, die Net­to-Emis­sio­nen von Treib­haus­ga­sen inner­halb der EU bis zum Jahr 2050 auf null zu ver­rin­gern. Hier­für bedarf es inno­va­ti­ver Ver­fah­ren, die CO₂ aus Abga­sen und ande­ren Gas­mi­schun­gen abtren­nen und zurück­hal­ten kön­nen, so dass es nicht in die Atmo­sphä­re frei­ge­setzt wird. Das in Bay­reuth ent­wickel­te Mate­ri­al hat im Ver­gleich mit bis­he­ri­gen Trenn­ver­fah­ren einen grund­sätz­li­chen Vor­teil: Es ist imstan­de, CO₂ voll­stän­dig aus Gas­mi­schun­gen zu ent­fer­nen, ohne CO₂ che­misch zu bin­den. Bei den Gas­mi­schun­gen kann es sich um Abga­se aus Indu­strie­an­la­gen, aber auch um Erd­gas oder Bio­gas han­deln. In allen die­sen Fäl­len lagert sich CO₂ allein auf­grund phy­si­ka­li­scher Wech­sel­wir­kun­gen in den Hohl­räu­men des Mate­ri­als an. Hier kann es ohne hohen Ener­gie­auf­wand her­aus­ge­löst wer­den, so dass es als Res­sour­ce für die Indu­strie­pro­duk­ti­on wie­der zur Ver­fü­gung steht. Das Trenn­ver­fah­ren arbei­tet also, che­misch gespro­chen, nach dem Prin­zip der phy­si­ka­li­schen Adsorp­ti­on. Wie ein geräu­mi­ger Spei­cher lässt sich das neue Mate­ri­al auf ener­gie­ef­fi­zi­en­te Wei­se mit Koh­len­di­oxid fül­len und ent­lee­ren. Es wur­de in den Bay­reu­ther Labo­ra­to­ri­en so struk­tu­riert, dass es aus ver­schie­den­sten Gas­ge­mi­schen jeweils nur das CO₂ und kein ande­res Gas abtrennt.

Martin Rieß M.Sc. vor der Messanlage zur dynamischen Gasadsorption in einem Bayreuther Labor für Anorganische Chemie. Foto: Christian Wißler.

Mar­tin Rieß M.Sc. vor der Mess­an­la­ge zur dyna­mi­schen Gasad­sorp­ti­on in einem Bay­reu­ther Labor für Anor­ga­ni­sche Che­mie. Foto: Chri­sti­an Wißler.

„Unse­rem For­schungs­team ist ein Mate­ri­al­design gelun­gen, das zwei Auf­ga­ben gleich­zei­tig erfüllt: Die phy­si­ka­li­schen Wech­sel­wir­kun­gen mit CO₂ sind stark genug, um die­ses Treib­haus­gas aus einem Gas­ge­misch her­aus­zu­lö­sen und fest­zu­hal­ten. Ande­rer­seits sind sie aber schwach genug, um das CO₂ mit nur gerin­gem Ener­gie­auf­wand aus dem Mate­ri­al wie­der zu ent­fer­nen“, sagt Mar­tin Rieß M.Sc., Erst­au­tor der neu­en Ver­öf­fent­li­chung und Dok­to­rand am Lehr­stuhl Anor­ga­ni­sche Che­mie I der Uni­ver­si­tät Bayreuth.

Das neue Mate­ri­al ist ein anor­ga­nisch-orga­ni­sches Hybrid­ma­te­ri­al. Die che­mi­sche Basis sind Ton­mi­ne­ra­le, die aus Hun­der­ten von ein­zel­nen Glas­plätt­chen bestehen. Die­se sind jeweils nur einen Nano­me­ter dick und exakt über­ein­an­der gesta­pelt. Zwi­schen den ein­zel­nen Glas­plätt­chen befin­den sich orga­ni­sche Mole­kü­le, die als Abstands­hal­ter fun­gie­ren. Sie wur­den hin­sicht­lich ihrer Form und ihrer che­mi­schen Eigen­schaf­ten so gewählt, dass die ent­ste­hen­den Poren­räu­me opti­mal auf die Anla­ge­rung von CO₂ zuge­schnit­ten sind. Nur Koh­len­di­oxid-Mole­kü­le kön­nen in das Poren­sy­stem des Mate­ri­als ein­drin­gen und wer­den hier fest­ge­hal­ten. Dage­gen müs­sen Methan, Stick­stoff und ande­re Abgas­kom­po­nen­ten auf­grund der Grö­ße ihrer Mole­kü­le drau­ßen blei­ben. Die For­scher nut­zen hier­bei den soge­nann­ten Mole­ku­lar­sieb­ef­fekt, um die Selek­ti­vi­tät des Mate­ri­als gegen­über CO₂ zu erhö­hen. Der­zeit arbei­ten sie an der Ent­wick­lung eines auf Ton­mi­ne­ra­len basie­ren­den Mem­bran­sy­stems, wel­ches eine kon­ti­nu­ier­li­che, selek­ti­ve und ener­gie­ef­fi­zi­en­te Abtren­nung von CO₂ aus Gas­mi­schun­gen ermög­li­chen soll.

Die Ent­wick­lung eines für die Abtren­nung und Bereit­stel­lung von CO₂ maß­ge­schnei­der­ten Hybrid­ma­te­ri­als war nur mög­lich, weil in den Bay­reu­ther Labo­ra­to­ri­en eine spe­zi­el­le Mess­an­la­ge ein­ge­rich­tet wur­de, die prä­zi­se Aus­sa­gen über die Men­gen adsor­bier­ter Gase und über die Selek­ti­vi­tät des adsor­bie­ren­den Mate­ri­als ermög­licht. So konn­ten Indu­strie­pro­zes­se rea­li­stisch nach­ge­bil­det wer­den. „Alle Kri­te­ri­en, die für die Bewer­tung indu­stri­el­ler CO₂-Trenn­ver­fah­ren rele­vant sind, wer­den von unse­rem Hybrid­ma­te­ri­al her­vor­ra­gend erfüllt. Es lässt sich kosten­gün­stig her­stel­len und kann einen wich­ti­gen Bei­trag zur Ver­rin­ge­rung indu­stri­el­ler Koh­len­di­oxid-Emis­sio­nen, aber auch zur Auf­be­rei­tung von Bio­gas und sau­rem Erd­gas lei­sten“, sagt Mar­tin Rieß.

Ver­öf­fent­li­chung:

Mar­tin Rieß, Renée Sie­gel, Jür­gen Sen­ker, Josef Breu: Diam­mo­ni­um-Pil­la­red MOPS with Dyna­mic CO₂ Selec­ti­vi­ty, Cell Reports Phy­si­cal Sci­ence (2020), DOI: https://​dx​.doi​.org/​1​0​.​1​0​1​6​/​j​.​x​c​r​p​.​2​0​2​0​.​1​0​0​210