Kostengünstigere, effizientere Wege zur Kohlenstoffabscheidung

Forscher der University of Colorado Boulder haben ein neues Werkzeug entwickelt, das zu effizienteren und billigeren Technologien für die Abscheidung von wärmeableitenden Gasen aus der Atmosphäre und deren Umwandlung in nützliche Stoffe wie Treibstoff oder Baumaterialien führen könnte. Eine solche Technologie zur Kohlenstoffabscheidung könnte in großem Maßstab erforderlich sein, um die globale Erwärmung in diesem Jahrhundert auf 2,7 Grad Celsius über den vorindustriellen Temperaturen zu begrenzen und katastrophale Auswirkungen des globalen Klimawandels abzuwehren.

Die Wissenschaftler beschreiben ihre Technik in einem Artikel, der diesen Monat in der Zeitschrift iSCIENCE veröffentlicht wurde.

Die Methode sagt voraus, wie stark die Bindung zwischen Kohlendioxid und dem Molekül ist, das es einfängt, dem sogenannten Bindemittel. Diese elektrochemische Diagnose lässt sich problemlos auf jedes Molekül anwenden, das chemisch dazu neigt, sich mit Kohlendioxid zu verbinden, so dass die Forscher geeignete molekulare Kandidaten für die Abscheidung von Kohlendioxid aus der Luft identifizieren können.

“Der Heilige Gral, wenn man so will, ist der Versuch, Bindemittel zu verwenden, die Kohlendioxid aus der Luft [um uns herum] aufnehmen können, nicht nur aus konzentrierten Quellen”, sagte Oana Luca, Mitautorin der neuen Studie und Assistenzprofessorin für Chemie. “Die Bestimmung der Stärke von Bindemitteln ermöglicht es uns, herauszufinden, ob die Bindung stark oder schwach sein wird, und Kandidaten für zukünftige Studien zur direkten Kohlenstoffabscheidung aus verdünnten Quellen zu identifizieren.”

Ziel der Technologie zur Abscheidung und Speicherung von Kohlendioxid ist es, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und es für Hunderte oder Tausende von Jahren sicher zu speichern. Obwohl sie in den USA bereits seit den 1970er Jahren eingesetzt wird, werden derzeit nur 0,1 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen pro Jahr abgeschieden und gespeichert. Um die vom IPCC gesteckten Ziele für die Kohlenstoffemissionen zu erreichen, müsste die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung bis zum Jahr 2050 rapide ansteigen.

Die derzeitigen Industrieanlagen auf der ganzen Welt verlassen sich auf die Abscheidung von Kohlendioxid aus einer konzentrierten Quelle, wie z. B. Emissionen aus Kraftwerken. Diese Methoden können zwar mit großen Mengen bestimmter chemischer Bindemittel schnell und effizient eine große Menge Kohlendioxid binden, sind aber auch außerordentlich energieintensiv.

Außerdem ist diese Methode in großem Maßstab recht teuer, wenn es darum geht, Kohlendioxid in etwas anderes Nützliches umzuwandeln, z. B. in Karbonate, einen Bestandteil von Zement, oder in Formaldehyd oder Methanol, das als Kraftstoff verwendet werden kann, so Luca, Fellow des Renewable and Sustainable Energy Institute (RASEI).

Der Einsatz elektrochemischer Methoden, wie sie in der neuen Studie unter Leitung der CU Boulder beschrieben werden, würde die Bindung von Anlagen zur Kohlenstoffabscheidung an konzentrierte Quellen aufheben, so dass sie fast überall eingesetzt werden könnten.

Die Möglichkeit, die Stärke chemischer Bindungen einfach abzuschätzen, ermöglicht es den Forschern auch, herauszufinden, welche Bindemittel am besten geeignet sind – und eine billigere Alternative zu herkömmlichen Methoden bieten -, um Kohlenstoff abzuscheiden und in Materialien oder Brennstoffe umzuwandeln, so Haley Petersen, Mitautorin der Studie und Doktorandin in Chemie.

Chemische Bindungen schaffen

Die Wissenschaft der Chemie basiert auf ein paar grundlegenden Fakten: Erstens, dass Moleküle aus Atomen bestehen, und zweitens, dass sie von Elektronen umkreist werden. Wenn sich Atome mit anderen Atomen verbinden, bilden sie Moleküle. Und wenn Atome Elektronen mit anderen Atomen teilen, bilden sie eine so genannte kovalente Bindung.

Mit Hilfe von Elektrizität können die Forscher diese Bindungen aktivieren, indem sie eine Elektrode verwenden, um ein Elektron an ein Molekül abzugeben. Wenn sie das bei einem Imidazoliummolekül tun, wie in dieser Studie, wird ein Wasserstoffatom entfernt, wodurch eine Lücke in einem Kohlenstoffatom entsteht, an die sich ein anderes Molekül – wie Kohlendioxid – binden kann.

Kohlendioxid (CO2) ist jedoch ein Molekül, das normalerweise keine neuen Bindungen eingehen möchte.

“Es ist im Allgemeinen nicht reaktionsfreudig, und um mit ihm zu reagieren, muss man es auch biegen”, sagt Luca. “Wir befinden uns also in einem chemischen Bereich, der für die CO2-Abscheidung noch nicht wirklich erforscht wurde.”

Mit ihrer Methode untersuchen die Forscher, wie gut eine ganze Familie von Carbenen (eine bestimmte Art von Molekülen, die ein neutrales Kohlenstoffatom enthalten), die sie elektrochemisch erzeugen können, CO2 binden können.

“Nur durch die Betrachtung sehr einfacher Moleküle – Moleküle, die wir herstellen können, Moleküle, die wir verändern können – können wir eine Karte der Energetik für die elektrochemische Kohlenstoffabscheidung erstellen. Das ist ein kleiner Schritt für den Moment, aber möglicherweise ein großer Schritt für die Zukunft”, so Luca.

Dieses Material basiert auf Arbeiten, die von der National Science Foundation Graduate Research Fellowship unter der Grant-Nr. DGE 2040434 unterstützt wurden.

Datum: März 16, 2022
Quelle: Universität von Colorado in Boulder


Journal Reference:

  1. Haley A. Petersen, Abdulaziz W. Alherz, Taylor A. Stinson, Chloe G. Huntzinger, Charles B. Musgrave, Oana R. Luca. Predictive energetic tuning of C-Nucleophiles for the electrochemical capture of carbon dioxideiScience, 2022; 25 (4): 103997 DOI: 10.1016/j.isci.2022.103997

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