Dieses einfache Material könnte Kohlendioxid aus Kraftwerksschornsteinen schrubben

Wie können wir Kohlendioxid, ein Treibhausgas, aus den Abgasen fossiler Kraftwerke entfernen, bevor es überhaupt die Atmosphäre erreicht? Neue Erkenntnisse deuten darauf hin, dass eine vielversprechende Antwort in einem einfachen, kostengünstigen und potenziell wiederverwendbaren Material liegt, das am National Institute of Standards and Technology (NIST) analysiert wurde, wo Wissenschaftler mehrerer Institutionen festgestellt haben, warum dieses Material so gut funktioniert.

Das Studienobjekt des Teams ist Aluminiumformiat, eine Substanz aus der Klasse der metallorganischen Gerüste (MOFs). Als Gruppe haben MOFs ein großes Potenzial zum Filtern und Trennen organischer Materialien – oft die verschiedenen Kohlenwasserstoffe in fossilen Brennstoffen – voneinander gezeigt. Einige MOFs haben sich bei der Raffination von Erdgas oder der Trennung der Oktankomponenten von Benzin als vielversprechend erwiesen; andere könnten dazu beitragen, die Kosten der Kunststoffherstellung zu senken oder eine Substanz kostengünstig in eine andere umzuwandeln. Ihre Fähigkeit, solche Trennungen durchzuführen, kommt von ihrer inhärent porösen Natur.

Aluminiumformiat, das die Wissenschaftler als ALF bezeichnen, hat ein Talent, Kohlendioxid (CO2) von den anderen Gasen zu trennen, die üblicherweise aus den Schornsteinen von Kohlekraftwerken fliegen. Es fehlen auch die Mängel, die andere vorgeschlagene Kohlefiltermaterialien haben, sagte Hayden Evans vom NIST, einer der Hauptautoren der Forschungsarbeit des Teams, die heute in der Fachzeitschrift mit Peer-Review veröffentlicht wurde Wissenschaftliche Fortschritte.

„Was diese Arbeit spannend macht, ist, dass ALF im Vergleich zu anderen hochleistungsfähigen CO2-Adsorptionsmitteln wirklich gut abschneidet, aber in seiner Einfachheit, Gesamtstabilität und einfachen Herstellung mit Designerverbindungen konkurriert“, sagte Evans, Chemiker am NIST Center for Neutron Research (NCNR). „Es besteht aus zwei Substanzen, die leicht und reichlich vorhanden sind, daher sollte es zu sehr geringen Kosten möglich sein, genügend ALF für eine breite Verwendung herzustellen.“

Das Forschungsteam umfasst Wissenschaftler der National University of Singapore; Singapurs Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung; die Universität von Delaware; und der Universität von Kalifornien, Santa Barbara.

Kohlekraftwerke entfallen ungefähr 30% der globalen CO2-Emissionen. Auch wenn die Welt andere Energiequellen wie Solar- und Windenergie, die keine Treibhausgase erzeugen, umarmt, könnte die Suche nach einem Weg zur Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes bestehender Anlagen dazu beitragen, ihre Auswirkungen zu mildern, während sie in Betrieb bleiben.

Das Auswaschen des CO2 aus dem Rauchgas, bevor es überhaupt in die Atmosphäre gelangt, ist ein logischer Ansatz, aber es hat sich als schwierig erwiesen, einen effektiven Scrubber zu entwickeln. Das Gasgemisch, das die Schornsteine ​​von Kohlekraftwerken hochströmt, ist normalerweise ziemlich heiß, feucht und korrosiv – Eigenschaften, die es schwierig gemacht haben, ein wirtschaftliches Material zu finden, das diese Aufgabe effizient erledigen kann. Einige andere MOFs funktionieren gut, sind aber aus teuren Materialien hergestellt; andere sind an und für sich weniger kostspielig, funktionieren aber nur unter trockenen Bedingungen angemessen und erfordern einen „Trocknungsschritt“, der die Gasfeuchtigkeit verringert, aber die Gesamtkosten des Waschprozesses erhöht.

„Setzen Sie alles zusammen, Sie brauchen eine Art Wundermaterial“, sagte Evans. „Hier haben wir es geschafft, jedes Kästchen anzukreuzen, mit Ausnahme der Stabilität unter sehr feuchten Bedingungen. Die Verwendung von ALF wäre jedoch kostengünstig genug, dass ein Trocknungsschritt zu einer praktikablen Option wird.“

ALF wird aus Aluminiumhydroxid und Ameisensäure hergestellt, zwei Chemikalien, die reichlich vorhanden und auf dem Markt leicht erhältlich sind. Es würde weniger als einen Dollar pro Kilogramm kosten, sagte Evans, was bis zu 100-mal günstiger ist als andere Materialien mit ähnlicher Leistung. Niedrige Kosten sind wichtig, da die CO2-Abscheidung in einer einzelnen Anlage bis zu Zehntausende Tonnen Filtermaterial erfordern kann. Die Menge, die für die ganze Welt benötigt wird, wäre enorm.

Auf mikroskopischer Ebene gleicht ALF einem dreidimensionalen Drahtkäfig mit unzähligen kleinen Löchern. Diese Löcher sind gerade groß genug, damit CO2-Moleküle eindringen und eingeschlossen werden können, aber gerade klein genug, um die etwas größeren Stickstoffmoleküle, die den Großteil des Rauchgases ausmachen, auszuschließen. Neutronenbeugungsarbeiten am NCNR zeigten dem Team, wie sich die einzelnen Käfige im Material sammeln und mit CO2 füllen, und zeigten, dass die Gasmoleküle wie eine Hand in einen Handschuh in bestimmte Käfige innerhalb von ALF passen, sagte Evans.

Trotz seines Potenzials ist ALF nicht sofort einsatzbereit. Ingenieure müssten ein Verfahren entwickeln, um ALF in großem Maßstab zu erstellen. Eine kohlebefeuerte Anlage würde auch einen kompatiblen Prozess benötigen, um die Feuchtigkeit des Rauchgases zu reduzieren, bevor es gewaschen wird. Evans sagte, dass bereits viel darüber bekannt ist, wie diese Probleme angegangen werden können, und dass sie die Kosten für die Verwendung von ALF nicht unerschwinglich machen würden.

Was mit dem CO2 danach zu tun sei, sei ebenfalls eine wichtige Frage, sagte er, obwohl dies ein Problem für alle Materialien zur Kohlenstoffabscheidung sei. Es sind Forschungsanstrengungen im Gange, es in Ameisensäure umzuwandeln – die nicht nur ein natürlich vorkommendes organisches Material, sondern auch einer der beiden Bestandteile von ALF ist. Die Idee dabei ist, dass ALF Teil eines Kreisprozesses werden könnte, bei dem ALF CO2 aus den Abgasströmen entfernt und dass abgeschiedenes CO2 verwendet wird, um mehr Ameisensäure zu erzeugen. Diese Ameisensäure würde dann zur Herstellung von mehr ALF verwendet, wodurch die Gesamtbelastung und die Kosten des Materialkreislaufs weiter reduziert würden.

„Heutzutage wird viel geforscht, was man mit all dem eingefangenen CO2 machen soll“, sagte Evans. „Es scheint möglich, dass wir schließlich Sonnenenergie nutzen könnten, um Wasserstoff aus Wasser zu spalten und diesen Wasserstoff dann mit dem CO2 zu kombinieren, um mehr Ameisensäure herzustellen. In Kombination mit ALF wäre das eine Lösung, die dem Planeten helfen würde.“