Die selektive Extraktion spezifischer Gasmoleküle aus Gasgemischen ist eine komplexe chemische Herausforderung, deren Erfolg erhebliche wirtschaftliche und ökologische Vorteile mit sich bringt. Die Abscheidung von Kohlendioxid (CO2) beispielsweise aus Industrieabgasen oder der Atmosphäre könnte zur Eindämmung des Klimawandels beitragen. Forscher der Universität Kyoto berichten gemeinsam mit Kollegen in China in der Zeitschrift über eine neue und energieeffiziente Option Naturkommunikation.
„Unsere Arbeit zeigt eine außergewöhnliche Molekülerkennungs- und -trennungsleistung durch die gezielte Organisation der Porengeometrie, der strukturellen Flexibilität und der Bindungsstellen auf molekularer Ebene innerhalb eines porösen Koordinationspolymers (PCP)“, sagt der Chemiker Susumu Kitagawa, Leiter des Forschungsteams am Institut der Universität Kyoto für Integrierte Zellmaterialwissenschaften.
PCPs, auch als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt, verfügen über Metallionen oder -cluster, die durch organische (kohlenstoffbasierte) Linkergruppen zusammengehalten werden. Durch die Auswahl verschiedener Metallkomponenten und die Anpassung der Größe und Struktur der organischen Gruppen kann eine große Vielfalt an kristallinen Materialien entstehen, die Poren mit genau kontrollierten Größen, Strukturen und chemischen Bindungsfähigkeiten enthalten. Die neue Arbeit geht jedoch darüber hinaus: Poren passen sich an, wenn gewünschte Moleküle an sie binden.
„Wir haben ein flexibles PCP mit einem gewellten Kanalsystem entwickelt, das mit CO2-Molekülen interagieren und diese adsorbieren kann, indem es selektiv Poren öffnet, die als Tore fungieren und nur das CO2 passieren lassen“, sagt Ken-ichi Otake, ebenfalls vom Kyoto-Team. Das Einfangen von CO2 sei aufgrund der relativ geringen Größe des Moleküls und der geringen Affinität zu vielen Adsorptionsmaterialien eine besondere Herausforderung, erklärt er.
Der Fachbegriff für das, was die Interaktion zwischen CO2 und PCP bewirkt, ist Exclusion Discrimination Gating. Dies bedeutet, dass die Bindung von Molekülen, die als Extraktionsziel ausgewählt wurden, in diesem Fall CO2, eine synergistische Strukturänderung auslöst, die die Bindung verstärkt und die Festphasenstruktur öffnet, um das gebundene Molekül eindringen zu lassen.
Das Team demonstrierte die Leistungsfähigkeit seines Systems, indem es damit CO2 aus Gemischen sammelte, die viele industriell bedeutsame Moleküle enthielten, darunter Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Wasserstoff, Argon, Ethan, Ethen und Ethin.
Der Prozess ist über einen gesamten Zyklus der selektiven Gasabscheidung und -regeneration deutlich energieeffizienter als bestehende Optionen. Dies könnte für die Entwicklung nachhaltigerer Gastrennungstechnologien wichtig sein, die kohlenstoffarme Industrieprozesse unterstützen können. Energieeffizienz wird auch für alle groß angelegten klimatechnischen Bemühungen zur Gewinnung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre von entscheidender Bedeutung sein. Dies sind keine praktischen Optionen, wenn sie die Erzeugung großer Energiemengen erfordern, um den Kreislauf aus Gewinnung, Freisetzung und Speicherung voranzutreiben.
„Aufbauend auf diesem anfänglichen Erfolg wird die zukünftige Forschung hoffentlich vielseitigere Durchbrüche in einem breiten Spektrum selektiver Gasextraktionsverfahren erzielen“, sagt der Postdoktorand Yifan Gu, Erstautor des Forschungsberichts.
Mehr Informationen:
Yifan Gu et al., Weicher Wellkanal mit synergistischer exklusiver Diskriminierungssteuerung zur CO2-Erkennung in Gasmischungen, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39470-w