Kann Ton Kohlendioxid binden?

Der atmosphärische Kohlendioxidgehalt – ein Gas, das hervorragend Wärme einfängt und zum Klimawandel beiträgt – ist fast doppelt so hoch wie vor der industriellen Revolution, macht aber nur 0,0415 % der Luft aus, die wir atmen.

Dies stellt eine Herausforderung für Forscher dar, die versuchen, künstliche Bäume oder andere Methoden zum Einfangen von Kohlendioxid direkt aus der Luft zu entwerfen. Diese Herausforderung versucht ein von den Sandia National Laboratories geleitetes Team von Wissenschaftlern zu lösen.

Unter der Leitung des Sandia-Chemieingenieurs Tuan Ho hat das Team leistungsstarke Computermodelle in Kombination mit Laborexperimenten verwendet, um zu untersuchen, wie eine Art Ton Kohlendioxid aufnehmen und speichern kann.

Die Wissenschaftler teilten ihre ersten Ergebnisse in einem Papier mit, das Anfang dieser Woche in veröffentlicht wurde Das Journal of Physical Chemistry Letters.

„Diese grundlegenden Erkenntnisse haben Potenzial für die direkte Erfassung aus der Luft; darauf arbeiten wir hin“, sagte Ho, Hauptautor des Papiers. „Ton ist wirklich kostengünstig und in der Natur reichlich vorhanden. Das sollte es uns ermöglichen, die Kosten der direkten CO2-Abscheidung aus der Luft erheblich zu senken, wenn dieses risikoreiche, hochlohnende Projekt letztendlich zu einer Technologie führt.“

Warum Kohlenstoff binden?

Kohlenstoffabscheidung und -bindung ist der Prozess, bei dem überschüssiges Kohlendioxid aus der Erdatmosphäre abgeschieden und tief im Untergrund gespeichert wird, um die Auswirkungen des Klimawandels wie häufigere schwere Stürme, steigende Meeresspiegel und zunehmende Dürren und Waldbrände zu verringern.

Dieses Kohlendioxid könnte aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken oder anderen Industrieanlagen wie Zementöfen oder direkt aus der Luft gewonnen werden, was technologisch anspruchsvoller ist. Die CO2-Abscheidung und -Sequestrierung gilt weithin als eine der am wenigsten umstrittenen Technologien, die für den Klimaschutz in Betracht gezogen werden.

„Wir möchten kostengünstige Energie, ohne die Umwelt zu ruinieren“, sagte Susan Rempe, eine Sandia-Bioingenieurin und leitende Wissenschaftlerin des Projekts. „Wir können auf eine Weise leben, die nicht so viel Kohlendioxid produziert, aber wir können nicht kontrollieren, was unsere Nachbarn tun. Die direkte Kohlenstoffabscheidung aus der Luft ist wichtig, um die Menge an Kohlendioxid in der Luft zu reduzieren und das Kohlendioxid zu verringern unsere Nachbarn entlassen.“

Ho stellt sich vor, dass auf Ton basierende Geräte wie Schwämme verwendet werden könnten, um Kohlendioxid aufzusaugen, und dann könnte das Kohlendioxid aus dem Schwamm „gepresst“ und tief in den Untergrund gepumpt werden. Oder der Ton könnte eher wie ein Filter verwendet werden, um Kohlendioxid zur Speicherung aus der Luft zu gewinnen.

Ton ist nicht nur billig und weit verbreitet, sondern auch stabil und hat eine große Oberfläche – er besteht aus vielen mikroskopisch kleinen Partikeln, die wiederum Risse und Spalten haben, die etwa hunderttausend Mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Diese winzigen Hohlräume werden Nanoporen genannt, und chemische Eigenschaften können sich innerhalb dieser nanoskaligen Poren ändern, sagte Rempe.

Rempe untersucht nicht zum ersten Mal nanostrukturierte Materialien zur Abscheidung von Kohlendioxid. Tatsächlich ist sie Teil eines Teams, das einen biologischen Katalysator zur Umwandlung von Kohlendioxid in wasserstabiles Bikarbonat untersucht, eine dünne, nanostrukturierte Membran zum Schutz des biologischen Katalysators maßgeschneidert und ein Patent für ihre bioinspirierte, kohlenstoffaufnehmende Membran erhalten hat. Natürlich besteht diese Membran nicht aus billigem Ton und wurde ursprünglich für den Einsatz in mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken oder anderen Industrieanlagen entwickelt, sagte Rempe.

„Dies sind zwei komplementäre mögliche Lösungen für dasselbe Problem“, sagte sie.

Wie kann man die Nanoskala simulieren?

Molekulardynamik ist eine Art Computersimulation, die die Bewegungen und Wechselwirkungen von Atomen und Molekülen auf der Nanoskala betrachtet. Anhand dieser Wechselwirkungen können Wissenschaftler berechnen, wie stabil ein Molekül in einer bestimmten Umgebung ist – etwa in mit Wasser gefüllten Nanoporen aus Ton.

„Molekulare Simulation ist wirklich ein leistungsfähiges Werkzeug, um Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zu untersuchen“, sagte Ho. „Es ermöglicht uns, vollständig zu verstehen, was zwischen Kohlendioxid, Wasser und Ton vor sich geht, und das Ziel ist es, diese Informationen zu nutzen, um ein Tonmaterial für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung zu entwickeln.“

In diesem Fall zeigten die von Ho durchgeführten Molekulardynamiksimulationen, dass Kohlendioxid in den nassen Ton-Nanoporen viel stabiler sein kann als in reinem Wasser, sagte Ho. Dies liegt daran, dass die Atome im Wasser ihre Elektronen nicht gleichmäßig teilen, wodurch ein Ende leicht positiv und das andere Ende leicht negativ geladen ist. Auf der anderen Seite teilen die Atome in Kohlendioxid ihre Elektronen gleichmäßig und wie Öl mit Wasser gemischt, ist das Kohlendioxid in der Nähe ähnlicher Moleküle stabiler, wie etwa den Silizium-Sauerstoff-Regionen des Tons, sagte Rempe.

Mitarbeiter der Purdue University unter der Leitung von Professor Cliff Johnston haben kürzlich Experimente durchgeführt, um zu bestätigen, dass Wasser, das in Ton-Nanoporen eingeschlossen ist, mehr Kohlendioxid absorbiert als reines Wasser, sagte Ho.

Der Postdoktorand von Sandia, Nabankur Dasgupta, fand auch heraus, dass innerhalb der ölähnlichen Regionen der Nanoporen weniger Energie benötigt wird, um Kohlendioxid in Kohlensäure umzuwandeln, und die Reaktion im Vergleich zur gleichen Umwandlung in reinem Wasser günstiger wird, sagte Ho. Indem diese Umwandlung günstig ist und weniger Energie erfordert, ermöglichen es die ölähnlichen Bereiche der Ton-Nanoporen letztendlich, mehr Kohlendioxid einzufangen und leichter zu speichern, fügte er hinzu.

„Bisher sagt uns dies, dass Ton ein gutes Material ist, um Kohlendioxid einzufangen und in ein anderes Molekül umzuwandeln“, sagte Rempe. „Und wir verstehen, warum das so ist, damit die Syntheseleute und die Ingenieure das Material modifizieren können, um dies zu verbessern. Die Simulationen können auch die Experimente leiten, um neue Hypothesen zu testen.“

Die nächsten Schritte für das Projekt werden darin bestehen, molekulardynamische Simulationen und Experimente zu verwenden, um herauszufinden, wie Kohlendioxid wieder aus der Nanopore herausgeholt werden kann, sagte Ho. Bis zum Ende des dreijährigen Projekts planen sie, ein tonbasiertes Direktluft-Kohlenstoffabscheidungsgerät zu konzipieren.