Klimaschutz: Bayreuther Chemiker entwickeln neues Material zur CO₂-Abtrennung aus Industrieabgasen

Chemiker der Universität Bayreuth haben ein Material entwickelt, das einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz und zu einer nachhaltigen Industrieproduktion leisten kann. Mit diesem Material kann das Treibhausgas Kohlendioxid (CO₂) aus Industrieabgasen, Erdgas oder Biogas präzise abgetrennt und für eine Wiederverwertung bereitgestellt werden. Das Trennverfahren ist sowohl energieeffizient als auch kostengünstig. In der Zeitschrift „Cell Reports Physical Science” stellen die Forscher die Struktur und Funktionsweise des Materials vor.

Martin Rieß M.Sc. vor der Messanlage zur dynamischen Gasadsorption in einem Bayreuther Labor für Anorganische Chemie. Foto: Christian Wißler

Der 2019 von der Europäischen Kommission vorgestellte „Green Deal“ fordert, die Netto-Emissionen von Treibhausgasen innerhalb der EU bis zum Jahr 2050 auf null zu verringern. Hierfür bedarf es innovativer Verfahren, die CO₂ aus Abgasen und anderen Gasmischungen abtrennen und zurückhalten können, so dass es nicht in die Atmosphäre freigesetzt wird. Das in Bayreuth entwickelte Material hat im Vergleich mit bisherigen Trennverfahren einen grundsätzlichen Vorteil: Es ist imstande, CO₂ vollständig aus Gasmischungen zu entfernen, ohne CO₂ chemisch zu binden. Bei den Gasmischungen kann es sich um Abgase aus Industrieanlagen, aber auch um Erdgas oder Biogas handeln. In allen diesen Fällen lagert sich CO₂ allein aufgrund physikalischer Wechselwirkungen in den Hohlräumen des Materials an. Hier kann es ohne hohen Energieaufwand herausgelöst werden, so dass es als Ressource für die Industrieproduktion wieder zur Verfügung steht. Das Trennverfahren arbeitet also, chemisch gesprochen, nach dem Prinzip der physikalischen Adsorption. Wie ein geräumiger Speicher lässt sich das neue Material auf energieeffiziente Weise mit Kohlendioxid füllen und entleeren. Es wurde in den Bayreuther Laboratorien so strukturiert, dass es aus verschiedensten Gasgemischen jeweils nur das CO₂ und kein anderes Gas abtrennt.

„Unserem Forschungsteam ist ein Materialdesign gelungen, das zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllt: Die physikalischen Wechselwirkungen mit CO₂ sind stark genug, um dieses Treibhausgas aus einem Gasgemisch herauszulösen und festzuhalten. Andererseits sind sie aber schwach genug, um das CO₂ mit nur geringem Energieaufwand aus dem Material wieder zu entfernen“, sagt Martin Rieß M.Sc., Erstautor der neuen Veröffentlichung und Doktorand am Lehrstuhl Anorganische Chemie I der Universität Bayreuth.

Elektronenmikroskopische Querschnitts-Aufnahme des neuen Hybridmaterials. Die Glasplättchen konnten sehr präzise hergestellt und, von Abstandshaltern unterbrochen, übereinander geschichtet werden. Bild: Martin Rieß

Das neue Material ist ein anorganisch-organisches Hybridmaterial. Die chemische Basis sind Tonminerale, die aus Hunderten von einzelnen Glasplättchen bestehen. Diese sind jeweils nur einen Nanometer dick und exakt übereinander gestapelt. Zwischen den einzelnen Glasplättchen befinden sich organische Moleküle, die als Abstandshalter fungieren. Sie wurden hinsichtlich ihrer Form und ihrer chemischen Eigenschaften so gewählt, dass die entstehenden Porenräume optimal auf die Anlagerung von CO₂ zugeschnitten sind. Nur Kohlendioxid-Moleküle können in das Porensystem des Materials eindringen und werden hier festgehalten. Dagegen müssen Methan, Stickstoff und andere Abgaskomponenten aufgrund der Größe ihrer Moleküle draußen bleiben. Die Forscher nutzen hierbei den sogenannten Molekularsiebeffekt, um die Selektivität des Materials gegenüber CO₂ zu erhöhen. Derzeit arbeiten sie an der Entwicklung eines auf Tonmineralen basierenden Membransystems, welches eine kontinuierliche, selektive und energieeffiziente Abtrennung von CO₂ aus Gasmischungen ermöglichen soll.

Die Entwicklung eines für die Abtrennung und Bereitstellung von CO₂ maßgeschneiderten Hybridmaterials war nur möglich, weil in den Bayreuther Laboratorien eine spezielle Messanlage eingerichtet wurde, die präzise Aussagen über die Mengen adsorbierter Gase und über die Selektivität des adsorbierenden Materials ermöglicht. So konnten Industrieprozesse realistisch nachgebildet werden. „Alle Kriterien, die für die Bewertung industrieller CO₂-Trennverfahren relevant sind, werden von unserem Hybridmaterial hervorragend erfüllt. Es lässt sich kostengünstig herstellen und kann einen wichtigen Beitrag zur Verringerung industrieller Kohlendioxid-Emissionen, aber auch zur Aufbereitung von Biogas und saurem Erdgas leisten“, sagt Martin Rieß.

Veröffentlichung:

Martin Rieß, Renée Siegel, Jürgen Senker, Josef Breu: Diammonium-Pillared MOPS with Dynamic CO₂ Selectivity, Cell Reports Physical Science (2020), DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100210

Source: Universität Bayreuth, Pressemitteilung, 2020-10-20.