Industrieanlagen, beispielsweise solche, die Zement oder Stahl herstellen, stoßen große Mengen Kohlendioxid aus, ein starkes Treibhausgas, aber die Abgase sind für die meisten modernen Kohlenstoffentfernungstechnologien zu heiß. Die Kühlung der Abgasströme erfordert viel Energie und Wasser, was den Einsatz der CO2-Abscheidung in einigen der umweltschädlichsten Industrien eingeschränkt hat.
In der Mitte links ist eines der Kristallelemente eines thermisch stabilen metallorganischen Gerüsts (MOF) namens ZnH-MFU-4l zu sehen, das in der Lage ist, Kohlendioxid, ein Treibhausgas, aus einer Mischung vieler für die Industrie wichtiger Gase reversibel und selektiv einzufangen . CO2 ist links hervorgehoben, zwischen den Molekülen Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Wasser. Der MOF kann CO2 über viele Zyklen hinweg bei 300 °C, der typischen Temperatur von Abgasströmen aus Zement- und Stahlwerken, einfangen. Die Zinkhydridgruppen des MOF binden und geben Kohlendioxidmoleküle reversibel ab (rechts). Die hellblauen, grauen, blauen, roten und weißen Kugeln repräsentieren jeweils Zn-, C-, N-, O- und H-Atome.
Rachel Rohde, Kurtis Carsch und Jeffrey Long, UC Berkeley
Chemiker der University of California in Berkeley haben herausgefunden, dass ein poröses Material wie ein Schwamm wirken kann, um CO2 bei Temperaturen einzufangen, die denen vieler industrieller Abgasströme nahekommen. Dieses Material – eine Art metallorganisches Gerüst (MOF) – wird in einem Artikel beschrieben, der in der Printausgabe der Zeitschrift vom 15. November veröffentlicht wird Wissenschaft.
Die vorherrschende Methode zur Abscheidung von Kohlenstoff aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen verwendet flüssige Amine zur Absorption von CO2, die Reaktion ist jedoch nur bei Temperaturen zwischen 40 und 60 °C (100–140 °F) wirksam. Zement- und Stahlfabriken erzeugen Abgase mit Temperaturen über 200 °C (400 °F), und einige Industrieabgase erreichen Temperaturen von bis zu 500 °C (930 °F). Neue Materialien, die derzeit getestet werden, darunter eine Unterklasse von MOFs mit zugesetzten Aminen, zersetzen sich bei Temperaturen über 150 °C (300 °F) oder sind viel weniger wirksam.
„Es ist eine teure Infrastruktur erforderlich, um diese heißen Gasströme auf die geeigneten Temperaturen abzukühlen, damit bestehende Technologien zur Kohlenstoffabscheidung funktionieren“, sagte Kurtis Carsch, Postdoktorand an der UC Berkeley und einer der ersten beiden Autoren des Artikels. „Unsere Entdeckung ist bereit, die Art und Weise, wie Wissenschaftler über die Kohlenstoffabscheidung denken, zu verändern. Wir haben herausgefunden, dass ein MOF Kohlendioxid bei beispiellosen Temperaturen einfangen kann – Temperaturen, die für viele CO2-Emissionen relevant sind. Dies ist etwas, das bisher nicht für möglich gehalten wurde für ein poröses Material.
„Unsere Arbeit entfernt sich von der vorherrschenden Untersuchung aminbasierter Kohlenstoffabscheidungssysteme und demonstriert einen neuen Mechanismus zur Kohlenstoffabscheidung in einem MOF, der einen Hochtemperaturbetrieb ermöglicht“, sagte Rachel Rohde von der UC Berkeley und Co-Autorin von das erste Papier.
Wie alle MOFs verfügt das Material über ein poröses, kristallines Netzwerk aus Metallionen und organischen Bindungen mit einer inneren Oberfläche, die etwa sechs Fußballfeldern pro Esslöffel entspricht – eine enorme Oberfläche zur Adsorption von Gasen.
„Dank ihrer einzigartigen Struktur verfügen MOFs über eine hohe Dichte an Standorten, an denen es unter geeigneten Bedingungen möglich ist, CO2 einzufangen und freizusetzen“, erklärt Carsch.
Unter simulierten Bedingungen zeigten die Forscher, dass dieser neue MOF-Typ heißes CO2 in Konzentrationen einfangen kann, die den Abgasströmen von Zement- und Stahlfabriken entsprechen, die durchschnittlich 20 bis 30 Prozent CO2 enthalten, sowie weniger konzentrierte Emissionen aus natürlichen Quellen Gaskraftwerke, die rund 4 % CO2 enthalten.
Die Entfernung von CO2 aus Industrieemissionen und Kraftwerken, die anschließend entweder unter der Erde gespeichert oder zur Herstellung von Kraftstoffen oder anderen Mehrwertchemikalien verwendet wird, ist eine Schlüsselstrategie zur Reduzierung von Treibhausgasen, die die Erde erwärmen und das Klima auf globaler Ebene verändern. Während erneuerbare Energiequellen bereits den Bedarf an Kraftwerken reduzieren, die CO2 ausstoßen und fossile Brennstoffe verbrennen, ist es schwieriger, Industrieanlagen, die intensiv fossile Brennstoffe nutzen, nachhaltig zu gestalten, und die Rauchgasabscheidung ist daher unerlässlich.
„Wir müssen anfangen, über die CO2-Emissionen von Industrien wie der Stahl- und Zementherstellung nachzudenken, die schwer zu dekarbonisieren sind, weil sie wahrscheinlich weiterhin CO2 ausstoßen werden, selbst wenn sich unsere Energieinfrastruktur immer mehr auf erneuerbare Energien verlagert“, sagte Herr . Rohde.
Übergang von Aminen zu Metallhydriden
Rohde und Carsch forschen im Labor von Jeffrey Long, Professor für Chemie, Chemie- und Biomolekulartechnik sowie Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. Herr Long erforscht seit mehr als zehn Jahren CO2-absorbierende MOFs. Im Jahr 2015 entwickelte sein Labor ein vielversprechendes Material, das von Herrn Longs Startup „Mosaic Materials“ entwickelt wurde, das 2022 vom Energietechnologieunternehmen Baker Hughes übernommen wurde. Dieses Material enthält Amine, die CO2 einfangen; Varianten der nächsten Generation werden als Alternativen zu wässrigen Aminen zur CO2-Abscheidung in Pilotanlagen und als Mittel zur CO2-Abscheidung direkt aus der Umgebungsluft getestet.
Aber diese MOFs seien wie andere poröse Adsorbentien bei den hohen Temperaturen, die mit vielen Verbrennungsgasen einhergehen, wirkungslos, sagte Carsch.
Adsorbentien auf Aminbasis, wie sie von Long entwickelt wurden, stehen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Forschung zur Kohlenstoffabscheidung. Das von Rohde, Carsch, Long und ihren Kollegen untersuchte MOF weist Poren auf, die mit Zinkhydridstellen verziert sind, die auch CO2 binden. Diese Standorte hätten sich als überraschend stabil erwiesen, sagte Rohde.
„Molekulare Metallhydride können reaktiv und wenig stabil sein“, erklärt Rohde. „Dieses Material ist sehr stabil und ermöglicht die sogenannte tiefe Kohlenstoffabscheidung, was bedeutet, dass es 90 % oder mehr des CO2, mit dem es in Kontakt kommt, abfangen kann, was eigentlich das ist, was man für die Punktquellenabscheidung braucht. Seine CO2-Abscheidungsfähigkeiten.“ sind vergleichbar mit MOFs auf Aminbasis, allerdings bei viel höheren Temperaturen.
Sobald das MOF mit CO2 gefüllt ist, kann es entfernt oder desorbiert werden, indem der Partialdruck des CO2 gesenkt wird, indem es entweder mit einem anderen Gas gespült oder unter Vakuum gesetzt wird. Das MOF kann dann für einen weiteren Adsorptionszyklus wiederverwendet werden.
„Da die Entropie mit zunehmender Temperatur die Anwesenheit von Molekülen wie CO2 in der Gasphase zunehmend begünstigt, wurde allgemein angenommen, dass es unmöglich sei, diese Moleküle mit einem porösen Feststoff bei hohen Temperaturen über 200 °C einzufangen“, sagte Long. „Diese Arbeit zeigt, dass mit der richtigen Funktionalität – hier Zinkhydrid-Stellen – tatsächlich eine schnelle, reversible CO2-Abscheidung mit hoher Kapazität bei hohen Temperaturen wie 300 °C erreicht werden kann.“
Rohde, Long und ihre Kollegen untersuchen Variationen dieses Metallhydrid-MOF, um herauszufinden, welche anderen Gase sie adsorbieren können, sowie Modifikationen, die es diesen Materialien ermöglichen, noch mehr CO2 zu adsorbieren.
„Wir haben das Glück, diese Entdeckung gemacht zu haben, die neue Wege in der Trennwissenschaft eröffnet hat und sich auf die Entwicklung funktioneller Adsorbentien konzentriert, die bei hohen Temperaturen arbeiten können“, sagte Carsch, der eine Professur am Department of Chemistry der University of Texas angenommen hat Austin. „Es gibt eine beträchtliche Anzahl von Möglichkeiten, das Metallion und das Bindungselement in MOFs abzustimmen, sodass es möglich sein könnte, solche Adsorbentien rational für andere Hochtemperatur-Gastrennprozesse zu entwerfen, die für die Industrie und nachhaltige Entwicklung relevant sind.“
