Neue Chemie finden, um den doppelten Kohlenstoff einzufangen

Wege zur Abscheidung, Speicherung und Nutzung von Kohlendioxid (CO2) zu finden, bleibt ein dringendes globales Problem. Da die Temperaturen weiter steigen, kann die Verhinderung des Eindringens von CO2 in die Atmosphäre dazu beitragen, die Erwärmung dort zu begrenzen, wo weiterhin kohlenstoffbasierte Kraftstoffe benötigt werden.

Bei der Entwicklung erschwinglicher, praktischer Technologien zur Kohlenstoffabscheidung wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Kohlenstoffabscheidende Flüssigkeiten, die als Lösungsmittel bezeichnet werden, wenn sie in großen Mengen vorhanden sind, können CO2-Moleküle aus Kohlekraftwerken, Papierfabriken und anderen Emissionsquellen effizient auffangen. Diese funktionieren jedoch alle nach der gleichen grundlegenden Chemie, so haben Forscher zumindest angenommen.

Im neuen Werk veröffentlicht In Naturchemie, stellten Wissenschaftler überrascht fest, dass ein bekanntes Lösungsmittel noch vielversprechender ist als ursprünglich angenommen. Neue Details über die zugrunde liegende Struktur des Lösungsmittels deuten darauf hin, dass die Flüssigkeit doppelt so viel CO2 enthalten könnte wie bisher angenommen. Die neu entdeckte Struktur könnte auch der Schlüssel zur Entwicklung einer Reihe kohlenstoffbasierter Materialien sein, die dazu beitragen könnten, noch mehr CO2 aus der Atmosphäre fernzuhalten.

Das Team des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hat das Lösungsmittel vor einigen Jahren entwickelt und es in verschiedenen Szenarien untersucht. Das Team hat daran gearbeitet, die Kosten für die Verwendung des Lösungsmittels zu senken und seine Effizienz zu steigern. Letztes Jahr haben sie es enthüllt das bisher kostengünstigste Kohlenstoffabscheidungssystem. Während dieser Recherche bemerkte das Team etwas Seltsames.

„Wir haben versucht, eine andere Art der Hochdruck-Gastrennung durchzuführen“, sagte David Heldebrant, ein PNNL-Chemiker und Mitautor. „Wir sahen, dass die Lösung deutlich dicker wurde und ein neuer Peak in unseren Spektren erschien, was darauf hindeutete, dass sich etwas Neues gebildet hatte. Das war völlig unerwartet und wir wussten, dass wir der Sache auf den Grund gehen mussten.“

Heldebrant wandte sich an seine Mitarbeiter an der Universität Claude Bernard Lyon 1 und der University of Texas in El Paso, um dabei zu helfen, die molekularen Veränderungen hinter den Ergebnissen zu entschlüsseln.

„Diese Arbeit ist eine wirklich interdisziplinäre und gemeinschaftliche Anstrengung“, sagte Jose Leobardo Bañuelos, Professor an der University of Texas in El Paso. „Die Fragen, die wir stellen mussten, erforderten mehr als nur eine Art Fachwissen. Wir haben uns die Gesamtstruktur des Lösungsmittels bei Einwirkung von CO2 angesehen und dabei wesentlich mehr Ordnung festgestellt, als wir erwartet hatten.“

Die Moleküle, so schien es, gruppierten sich, als sie gepaart werden sollten. Doch was bedeuteten die neuen, aufgeräumten Strukturen?

Durch Cluster Veränderungen herbeiführen

Als das Team das Lösungsmittel-CO2-System mit Werkzeugen der analytischen Chemie genauer unter die Lupe nahm, entdeckte es selbstorganisierte Cluster von Lösungsmittelmolekülen. Zunächst versuchten die Forscher, die Daten an ein Modell anzupassen, das nur zwei Lösungsmittelmoleküle verwendete. Trotz ihrer anfänglichen Erwartungen passten die Daten einfach nicht.

Als die Forscher ein Modell mit vier Lösungsmittelmolekülen verwendeten, stimmten die Ergebnisse überein. Ein Cluster aus vier Komponenten war tatsächlich die Form des Lösungsmittels, die das Team gesehen hatte. Die flexible Struktur kann eine Reihe von Verschiebungen durchlaufen, um ankommende CO2-Moleküle aufzunehmen. Das CO2 erreicht schließlich den Kern des Clusters, wo sich eine Tasche für das aktive Zentrum befindet, die möglicherweise denen im Inneren von Enzymen ähnelt. Tatsächlich scheinen die gesamte Clusterstruktur und die Wechselwirkungen Proteinen zu ähneln.

Die Bindungstasche des aktiven Zentrums steht im Zentrum der neu beobachteten Chemie. Typischerweise arbeiten Kohlenstoffabscheidungssysteme mit einem einzelnen CO2-Molekül, das sich bindet und möglicherweise zu etwas anderem reagiert. Wenn alles auf Reaktionen beschränkt ist, an denen ein CO2 beteiligt ist, werden die nächsten Schritte der Kohlenstoffumwandlung eingeschränkt. Der Cluster ermöglicht etwas anderes.

Der unerwartete Peak, den das Team ursprünglich fand, entspricht der Bildung einer neuen Spezies, die aus zwei verschiedenen CO2-Molekülen besteht. Die Cluster bauen CO2 schrittweise ein, wobei zunächst ein Molekül eingefangen und aktiviert wird, gefolgt vom zweiten. Die Daten zeigen einen kooperativen Effekt: Die Bindung eines CO2-Moleküls verändert die Art und Weise, wie das zweite Molekül bindet.

„Wir freuen uns sehr über die neuen Möglichkeiten des Lösungsmitteldesigns, die sich dadurch eröffnen“, sagte Heldebrant. „Wenn wir Wege finden können, gezielt Kooperationen einzubauen, die die CO2-Bindung verbessern, könnten wir die Funktionsweise von Kohlenstoffabscheidungssystemen ändern.“

Neue Reaktivität finden

Sobald sich beide CO2-Moleküle innerhalb des Clusters befinden, können sie miteinander reagieren und dabei verschiedene kohlenstoffbasierte Moleküle erzeugen, die die potenziellen Einsatzmöglichkeiten des eingefangenen CO2 erweitern könnten.

„Wir verändern hier eine wichtige Variable im Prozess“, sagte Heldebrant. „In der Vergangenheit haben wir jedes CO2 einzeln abgeschieden. Die Kombination zweier CO2 könnte uns dabei helfen, die Speicherkapazität unserer Abscheidungssysteme effektiv zu verdoppeln.“

Die neu verbundenen Moleküle haben ganz andere Eigenschaften als CO2. Dadurch verändert sich die Chemie, die zur Trennung des eingefangenen Kohlenstoffs vom Lösungsmittel erforderlich ist. Diese CO2-basierten Moleküle sind größer und stellen einen ersten Schritt zur Herstellung CO2-reicher Polymere dar.

Ein anhaltendes Problem bei abgeschiedenem Kohlenstoff ist die Frage, was damit geschehen soll. Die langfristige Speicherung von CO2 ist zwar eine Option, stellt jedoch logistische Herausforderungen dar und kann die Kosten eines bereits teuren Abscheidungsprozesses erhöhen. Die Suche nach Möglichkeiten, abgeschiedenes CO2 in wirtschaftlich wertvolle Produkte umzuwandeln, könnte dazu beitragen, die Abscheidungskosten auszugleichen und einen Schritt in Richtung eines geschlossenen Kohlenstoffkreislaufs zu bedeuten.

Durch die Verbindung zweier CO2-Moleküle während des ersten Abscheidungsschritts stellt diese Arbeit einen neuen Weg zur Kohlenstoffumwandlung und -nutzung vor. Anstatt mit CO2 zu beginnen, könnten Forscher verschiedene Möglichkeiten haben, neue Chemikalien zu entwickeln. Dies öffnet Türen zu verschiedenen Arten von Chemie, die bisher für die CO2-Umwandlung als unrealistisch galten. Diese potenziellen nächsten Schritte sind nur möglich, wenn man sich auf die grundlegende Wissenschaft hinter der Kohlenstoffabscheidung konzentriert.

„Der Einsatz von Kohlenstoffabscheidungssystemen ist sehr dringlich“, sagte Julien Leclaire, Professor an der Universität Claude Bernard Lyon 1 und Mitautor des Papiers. „Aufgrund ihrer Komplexität erforschen wir nicht immer die Details dieser Prozesse auf molekularer Ebene. Aber manchmal können wir Erkenntnisse gewinnen, die molekulares und großräumiges Verhalten miteinander verbinden.“

Zu den PNNL-Forschern gehören neben Heldebrant auch Katarzyna Grubel, Eric Walter, Ying Chen, Difan Zhang, Manh Thuong Nguyen, Debmalya Ray, Sarah Allec, Deepika Malhotra, Wontae Joo und Jaelynne King. Zu den Forschern der Universität Claude Bernard Lyon 1 gehören neben Leclaire auch Jean Septavaux und Marc Hennenbelle.