Ein einfaches, billiges Material zur Kohlenstoffabscheidung, vielleicht aus Endrohren

Unter Verwendung eines kostengünstigen Polymers namens Melamin – dem Hauptbestandteil von Formica – haben Chemiker eine billige, einfache und energieeffiziente Methode entwickelt, um Kohlendioxid aus Schornsteinen abzuscheiden, ein wichtiges Ziel für die Vereinigten Staaten und andere Nationen, wenn sie versuchen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren .

Das Verfahren zur Synthese des Melaminmaterials, veröffentlicht diese Woche in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte, könnte möglicherweise verkleinert werden, um Emissionen aus Fahrzeugabgasen oder anderen beweglichen Kohlendioxidquellen einzufangen. Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe macht etwa 75 % aller in den USA produzierten Treibhausgase aus

Das neue Material ist einfach herzustellen und erfordert hauptsächlich handelsübliches Melaminpulver – das heute etwa 40 US-Dollar pro Tonne kostet – sowie Formaldehyd und Cyanursäure, eine Chemikalie, die unter anderem zusammen mit Chlor Schwimmbädern zugesetzt wird.

„Wir wollten über ein Kohlenstoffabscheidungsmaterial nachdenken, das aus wirklich billigen und leicht erhältlichen Quellen gewonnen wird. Deshalb haben wir uns entschieden, mit Melamin zu beginnen“, sagte Jeffrey Reimer, Professor der Graduate School in der Abteilung für Chemie und Chemie Biomolecular Engineering an der University of California, Berkeley, und einer der korrespondierenden Autoren der Veröffentlichung.

Das sogenannte poröse Melaminnetzwerk fängt Kohlendioxid mit einer Effizienz ein, die mit frühen Ergebnissen für ein anderes relativ neues Material zur Kohlenstoffabscheidung, metallorganischen Gerüsten oder MOFs, vergleichbar ist. Chemiker der UC Berkeley haben 2015 das erste derartige CO2-Abscheidungs-MOF entwickelt, und nachfolgende Versionen haben sich als noch effizienter bei der Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen erwiesen, beispielsweise aus denen eines Kohlekraftwerks.

Aber Haiyan Mao, ein Postdoktorand der UC Berkeley und Erstautor der Arbeit, sagte, dass Materialien auf Melaminbasis viel billigere Inhaltsstoffe verwenden, einfacher herzustellen und energieeffizienter sind als die meisten MOFs. Die geringen Kosten von porösem Melamin bedeuten, dass das Material weit verbreitet eingesetzt werden könnte.

„In dieser Studie konzentrierten wir uns auf ein billigeres Materialdesign für die Abscheidung und Speicherung und die Aufklärung des Wechselwirkungsmechanismus zwischen CO2 und dem Material“, sagte Mao. „Diese Arbeit schafft eine allgemeine Industrialisierungsmethode für eine nachhaltige CO2-Abscheidung unter Verwendung poröser Netzwerke. Wir hoffen, dass wir eine zukünftige Befestigung zum Auffangen von Autoabgasen oder vielleicht eine Befestigung an einem Gebäude oder sogar eine Beschichtung auf der Oberfläche von Möbeln entwerfen können.“

Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen einer Gruppe an der UC Berkeley unter der Leitung von Reimer; eine Gruppe an der Stanford University unter der Leitung von Yi Cui, Direktor des Precourt Institute for Energy, Somorjai Visiting Miller Professor an der UC Berkeley und ehemaliger Postdoktorand der UC Berkeley; UC Berkeley Professor der Graduate School Alexander Pines; und eine Gruppe an der Texas A&M University unter der Leitung von Hong-Cai Zhou. Jing Tang, Postdoktorandin in Stanford und am Stanford Linear Accelerator Center und Gastwissenschaftlerin an der UC Berkeley, ist gemeinsam mit Mao Erstautorin.

Klimaneutralität bis 2050

Während die Beseitigung der Verbrennung fossiler Brennstoffe unerlässlich ist, um den Klimawandel aufzuhalten, besteht eine wichtige Zwischenstrategie darin, die Emissionen von Kohlendioxid – dem wichtigsten Treibhausgas – einzufangen und das Gas unterirdisch zu speichern oder CO2 in nutzbare Produkte umzuwandeln. Das US-Energieministerium hat bereits Projekte im Gesamtwert von 3,18 Milliarden US-Dollar angekündigt, um fortschrittliche und kommerziell skalierbare Technologien für die CO2-Abscheidung, -Nutzung und -Sequestrierung (CCUS) voranzutreiben, um ein ehrgeiziges Ziel von 90 % für die CO2-Abscheidungseffizienz von Rauchgasen zu erreichen. Das ultimative US-Ziel sind Netto-Null-CO2-Emissionen bis 2050.

Aber die CO2-Abscheidung ist weit davon entfernt, wirtschaftlich rentabel zu sein. Die beste Technik besteht heute darin, Rauchgase durch flüssige Amine zu leiten, die CO2 binden. Doch dazu ist viel Energie nötig, um das an die Amine gebundene Kohlendioxid freizusetzen, aufzukonzentrieren und unterirdisch zu lagern. Das Amingemisch muss auf 120 bis 150 Grad Celsius (250 bis 300 Grad Fahrenheit) erhitzt werden, um das CO2 zu regenerieren.

Im Gegensatz dazu fängt das poröse Melaminnetzwerk mit DETA und Cyanursäure-Modifikation CO2 bei etwa 40 Grad Celsius, etwas über Raumtemperatur, ein und setzt es bei 80 Grad Celsius, unterhalb des Siedepunkts von Wasser, frei. Die Energieeinsparungen ergeben sich daraus, dass die Substanz nicht auf hohe Temperaturen erhitzt werden muss.

Bei seiner Forschung konzentrierte sich das Team aus Berkeley/Stanford/Texas auf das gängige Polymer Melamin, das nicht nur in Resopal, sondern auch in preiswertem Geschirr und Besteck, Industrielacken und anderen Kunststoffen verwendet wird. Durch die Behandlung von Melaminpulver mit Formaldehyd – was die Forscher in Kilogrammmengen taten – entstehen nanoskalige Poren im Melamin, von denen die Forscher annahmen, dass sie CO2 absorbieren würden.

Mao sagte, dass Tests bestätigten, dass mit Formaldehyd behandeltes Melamin CO2 etwas adsorbiert, aber die Adsorption könnte stark verbessert werden, indem eine andere aminhaltige Chemikalie, DETA (Diethylentriamin), hinzugefügt wird, um CO2 zu binden. Sie und ihre Kollegen fanden später heraus, dass die Zugabe von Cyanursäure während der Polymerisationsreaktion die Porengröße dramatisch erhöhte und die CO2-Abscheidungseffizienz radikal verbesserte: Fast das gesamte Kohlendioxid in einem simulierten Rauchgasgemisch wurde innerhalb von etwa 3 Minuten absorbiert.

Durch die Zugabe von Cyanursäure konnte das Material zudem immer wieder verwendet werden.

Mao und ihre Kollegen führten Festkörper-NMR-Studien durch, um zu verstehen, wie Cyanursäure und DETA interagieren, um die Kohlenstoffabscheidung so effizient zu machen. Die Studien zeigten, dass Cyanursäure starke Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Melaminnetzwerk bildet, die zur Stabilisierung von DETA beitragen und verhindern, dass es während wiederholter Zyklen der Kohlenstoffabscheidung und -regeneration aus den Melaminporen ausgelaugt wird.

„Was Haiyan und ihre Kollegen mit diesen eleganten Techniken zeigen konnten, ist genau, wie sich diese Gruppen vermischen, wie genau CO2 mit ihnen reagiert, und dass sie in Gegenwart dieser porenöffnenden Cyanursäure in der Lage ist, CO2 an und aus vielen zu zirkulieren mal mit einer wirklich guten Kapazität“, sagte Reimer. „Und die Rate, mit der CO2 adsorbiert wird, ist im Vergleich zu einigen anderen Materialien tatsächlich ziemlich schnell. Alle praktischen Aspekte dieses Materials zur CO2-Abscheidung im Labormaßstab wurden also erfüllt, und es ist einfach unglaublich billig und einfach herzustellen.“

„Unter Verwendung von Festkörper-Kernspinresonanztechniken haben wir den Mechanismus der Reaktion der amorphen Netzwerke mit CO2 systematisch in beispiellosen Details auf atomarer Ebene aufgeklärt“, sagte Mao. „Für die Energie- und Umweltgemeinschaft schafft diese Arbeit eine hochleistungsfähige Festkörpernetzwerkfamilie zusammen mit einem gründlichen Verständnis der Mechanismen, fördert aber auch die Entwicklung der Erforschung poröser Materialien von Trial-and-Error-Methoden zu rationalen, schrittweisen Methoden -für-Schritt-Modulation auf atomarer Ebene.“

Die Reimer- und Cui-Gruppen optimieren weiterhin die Porengröße und Amingruppen, um die Kohlenstoffabscheidungseffizienz poröser Melaminnetzwerke zu verbessern und gleichzeitig die Energieeffizienz beizubehalten. Dies beinhaltet die Verwendung einer Technik namens dynamische kombinatorische Chemie, um die Anteile der Inhaltsstoffe zu variieren, um eine effektive, skalierbare, recycelbare und hochleistungsfähige CO2-Abscheidung zu erreichen.

Reimer und Mao haben auch eng mit der Cui-Gruppe in Stanford zusammengearbeitet, um andere Arten von Materialien zu synthetisieren, darunter hierarchische nanoporöse Membranen– eine Klasse von Nanokompositen kombiniert mit einer Kohlenstoffkugel und Graphenoxid – und hierarchische nanoporöse Kohlenstoffe aus Kiefernholz, um Kohlendioxid zu adsorbieren. Reimer entwickelte Festkörper-NMR speziell zur Charakterisierung des Mechanismus, durch den feste Materialien mit Kohlendioxid interagieren, um bessere Materialien für die Kohlenstoffabscheidung aus der Umwelt und die Energiespeicherung zu entwickeln. Cui entwickelte eine robuste und nachhaltige Festkörperplattform und Fertigungstechniken zur Schaffung neuer Materialien zur Bewältigung des Klimawandels und der Energiespeicherung.