Wissenschaftler entwickeln 2D-Nanoblätter für eine nachhaltige Kohlenstoffbindung

Die globale Erwärmung wird auf den starken Anstieg der Emissionen von wärmespeichernden Treibhausgasen, insbesondere CO2-Emissionen, zurückgeführt. Die Kohlenstoffabscheidungstechnologie, beispielsweise der Einsatz von Adsorptionsmitteln zur Abscheidung und Speicherung von CO2 aus der Umgebungsluft, ist eine vielversprechende Lösung zur Emissionsminderung.

Flüssige Sorptionsmittel werden traditionell zur Kohlenstoffabscheidung verwendet, sie weisen jedoch den Nachteil der Korrosion der Ausrüstung, hoher Kosten und eines hohen Energiebedarfs für die Regeneration auf. Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden feste poröse Materialien zur CO2-Adsorption erforscht, bei denen CO2-Atome an der Oberfläche des festen Materials haften.

In seiner Forschung zur Kohlenstoffabscheidung wandte sich außerordentlicher Professor Wu Ping von der Singapore University of Technology and Design (SUTD) Glimmer zu, einem billigen und reichlich vorhandenen Tonmineral mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

Glimmer bildet blattartige Aluminiumoxidsilikatschichten, die durch Kaliumkationen in der Zwischenschicht über ionische Bindungen verbunden sind. Die komplexe Struktur macht es jedoch schwierig, Glimmer in einzelne oder wenige Schichten zu trennen, um zweidimensionale (2D) Nanoblätter zu bilden, die für die CO2-Abscheidung geeignet sind. In früheren Studien entwickelte Methoden erforderten außerdem lange Reaktionszeiten und einen hohen Energieverbrauch.

Um eine effiziente Methode zur Herstellung von 2D-Glimmer-Nanoblättern zu entwickeln, arbeiteten Assoc Prof. Wu und sein SUTD-Team mit Forschern der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A*STAR) zusammen. Sie veröffentlichten ihre Forschungsarbeit „Effiziente Synthese von 2D-Mica-Nanoblättern durch solvothermale und mikrowellenunterstützte Techniken für CO2-Abscheidungsanwendungen“ in Materialien.

„Aufbauend auf unseren jüngsten Durchbrüchen in der Mechanochemie haben wir die Techniken der Mikrowellenchemie und der solvothermalen Mechanochemie auf innovative Weise kombiniert. Durch die Nutzung der Energie von Mikrowellen und solvothermalen Prozessen konnten wir diese Energie in Spannungsenergie an Fest-Flüssig-Gas-Grenzflächen umwandeln. Dies erleichtert die Synthese von Nanoblättern aus abgeblättertem Glimmer (eMica). Diese Maßnahmen führen zu einer schnellen Ablösung und einer deutlich verkürzten Reaktionszeit“, erklärte Assoc Prof. Wu.

Das Forschungsteam kombinierte natürlichen Glimmer mit Kaliumhydroxid in einem polaren Lösungsmittel in einem geschlossenen Reaktionsgefäß. Diese Reaktion wurde dann in einer Mikrowelle erhitzt, wodurch Energie auf das mikrowellenabsorbierende polare Lösungsmittel und die Reaktanten übertragen wurde. In Verbindung mit dem selbst erzeugten Druck im Inneren des Gefäßes wurde der Glimmer schnell abgeblättert, wobei die Reaktionszeit deutlich verkürzt wurde. Der mikrowellenbehandelte Glimmer wurde dann mit Ultraschall behandelt, um die Schichten weiter auszudehnen und zu trennen. Nach mehreren Reinigungsrunden hatte das Team eMica-Nanoblätter synthetisiert.

Im Vergleich zu Bulk-Glimmer sind Schichten aus eMica-Nanoblättern in lateraler Größe und Dicke gleichmäßiger. Darüber hinaus weisen eMica-Nanoblätter eine geordnete Atomanordnung auf, was auf ihre hohe Qualität und minimale Defekte hinweist.

Als nächstes untersuchten Associate Prof. Wu und sein Team das Potenzial der Nanoblätter für Anwendungen zur CO2-Abscheidung. Sie fanden heraus, dass die CO2-Adsorptionskapazität von eMica-Nanoblättern um 87 % höher war als die von Massenglimmer. Obwohl andere Arten von Adsorptionsmaterialien in der Literatur eine höhere Kapazität gezeigt haben, übertreffen eMica-Nanoblätter immer noch andere Tonmineralien, die für die Kohlenstoffbindung modifiziert wurden.

Die überlegene CO2-Adsorptionskapazität von eMica-Nanoblättern kann auf eine hohe spezifische Oberfläche und Porosität zwischen ihren expandierten Schichten zurückgeführt werden. Die spezifische Oberfläche dieses 2D-Materials hatte sich mehr als verfünffacht, von 29,1 m2/g im Massenglimmer auf 171,3 m2/g in den Nanoblättern. Auch die Porosität der Nanoblätter war dramatisch höher, wobei das Porenvolumen um das Siebenfache anstieg, von 0,145 cm³/g in Bulk-Glimmer auf 1,022 cm³/g in eMica-Nanoblättern.

Die CO2-Adsorption könnte auch durch Ablagerungen von Kaliumcarbonat (K2CO3) auf den Nanoblättern verstärkt worden sein, die entstehen, wenn Kaliumkationen in Glimmer mit Wasser und CO2 in der Luft reagieren. Das Team untermauerte diese Hypothese mit Computersimulationen, die zeigten, dass eine mit K2CO3 abgeschiedene Glimmermonoschicht sowohl Bulk-Glimmer als auch eine Glimmermonoschicht bei der CO2-Adsorption übertrifft.

Mechanistisch gesehen wird CO2 von eMica-Nanoblättern hauptsächlich durch physikalische Adsorption eingefangen, wodurch eine schwächere elektrostatische Anziehungskraft auf der Oberfläche entsteht. Dies steht im Gegensatz zu den stärkeren Ionenbindungen, die sich bilden, wenn CO2 auf der Nanoblattoberfläche chemisch absorbiert wird, was in geringerem Maße vorkommt. Dieser vorherrschende Mechanismus der Physisorption würde eine einfachere CO2-Desorption und die Regeneration der eMica-Nanoblätter ermöglichen.

Das Forschungsteam stellte fest, dass die Nanoblätter in der Lage waren, eine starke Adsorptionskapazität aufrechtzuerhalten, wenn sie zyklischen Adsorptions-/Desorptionstests unterzogen wurden, was die Wiederherstellbarkeit und Stabilität der eMica-Nanoblätter demonstrierte. Assoc Prof. Wu glaubt, dass diese Forschung für den Stromerzeugungssektor, Umwelt- und Regulierungsbehörden und andere Forscher, die neuartige Materialien und Technologien zur CO2-Abscheidung verfolgen, von Interesse sein wird. Darüber hinaus trägt seine Forschung zu den Nachhaltigkeitsplänen von SUTD bei.

„Die CO2-Abscheidung ist ein wichtiger Aspekt der Minderung von Treibhausgasemissionen, ein zentraler Schwerpunktbereich der Nachhaltigkeitsstrategie von SUTD. Unsere Arbeit an der Entwicklung einer effizienten Synthesemethode steht im Einklang mit dem Schwerpunkt der Universität auf nachhaltigem Betrieb sowie nachhaltiger Bildung und Forschung“, sagte er kommentiert.

In Zukunft möchte Assoc Prof. Wu eine skalierbare Methode zur Glimmer-Peeling-Methode entwickeln und die Anwendungen von Glimmer zur Wasserreinigung erforschen.

„Die skalierbare Herstellung von 2D-Materialien mit nachhaltigen und kostengünstigen Methoden könnte erhebliche Auswirkungen auf Industrie und Gesellschaft haben, wie etwa die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen und die Verbesserung der Energieeffizienz. Insgesamt hoffen wir, dass diese Forschung unser Verständnis von 2D-Materialien und ihrem Potenzial voranbringen wird.“ „Wir werden neue Anwendungen entwickeln und zur Entwicklung nachhaltiger und innovativer Technologien beitragen“, sagte er.