Forschern am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ist in Zusammenarbeit mit dem Georgia Institute of Technology ein bedeutender Durchbruch beim Verständnis des Einflusses von Kohlendioxid (CO2) auf die Stabilität aminfunktionalisierter poröser Feststoffmaterialien gelungen, einer entscheidenden Komponente in der direkten Air Capture (DAC) Technologien zur CO2-Abscheidung.
Diese neue Forschung, veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society und auf dem Titelblatt der Zeitschrift vorgestellt, beleuchtet die komplexen Wechselwirkungen zwischen CO2 und Poly(ethylenimin)-Sorptionsmitteln und liefert wichtige Erkenntnisse, die die Effizienz und Haltbarkeit von DAC-Systemen verbessern könnten.
„Diese Studie unterstreicht, wie wichtig es ist, alle atmosphärischen Komponenten bei der Gestaltung von DAC-Prozessen und -Materialien zu berücksichtigen“, sagte Simon Pang, korrespondierender Autor und Hauptforscher des Projekts. „Unsere Erkenntnisse werden bei der Entwicklung von Sorptionsmitteln der nächsten Generation mit verbesserter Haltbarkeit von entscheidender Bedeutung sein und zu effizienteren und kostengünstigeren Lösungen zur Kohlenstoffabscheidung beitragen.“
Aminbasierte Sorptionsmittel stehen an der Spitze der DAC-Technologie, da sie über die außergewöhnliche Fähigkeit verfügen, CO2 auch unter ultraverdünnten Bedingungen effizient einzufangen. Allerdings stellt die Langzeitstabilität dieser Materialien eine erhebliche Herausforderung dar, vor allem aufgrund des oxidativen Abbaus.
Das Forschungsteam untersuchte die bisher ungeklärte Rolle von CO2 im oxidativen Abbauprozess dieser Sorptionsstoffe und glich dabei widersprüchliche Daten in der vorhandenen Literatur aus. Die Studie zeigt, dass CO2 einen nicht-monotonen Effekt auf die Oxidationskinetik von Poly(ethylenimin)-Sorptionsmitteln ausübt, wobei sein Einfluss je nach Temperatur und CO2-Konzentration erheblich variiert.
„Unsere Forschung unterstreicht die doppelte Rolle von CO2 im Oxidationsprozess“, sagte Sichi Li, Hauptautor der Arbeit und Mitforscher des Projekts. „Einerseits katalysiert CO2 kritische Oxidationsreaktionen, andererseits reduziert es die Beweglichkeit der Polymerzweige, was die Radikalausbreitung verlangsamt. Diese gegensätzlichen Effekte sind der Schlüssel zum Verständnis der komplexen Abbauprofile, die wir beobachtet haben.“
Die Schlussfolgerungen der Studie gehen über den Vergleich bestehender Literatur hinaus und bieten praktische Implikationen für die Zukunft der DAC-Technologie. Durch die Identifizierung der Polymerseitenkettenmobilität und des Vorhandenseins saurer Umgebungen als Hauptfaktoren, die die Oxidation beschleunigen, schlägt die Forschung neue Strategien zur Verbesserung der Lebensdauer des Sorptionsmittels vor. Mögliche Lösungen umfassen die Einführung funktioneller Gruppen, Additive oder Oxidträger mit Oberflächenchemie, die darauf abzielen, die Polymermobilität zu verringern oder saure Bedingungen zu neutralisieren und so die Geschwindigkeit des oxidativen Abbaus zu verringern.
Weitere Informationen:
Sichi Li et al., Konkurrierende kinetische Konsequenzen von CO2 auf den oxidativen Abbau von verzweigtem Poly(ethylenimin), Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c08126