Ein einfaches, billiges Material zur Kohlenstoffabscheidung

Das Verfahren zur Synthese des Melaminmaterials, das in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, ließe sich möglicherweise auf die Abscheidung von Emissionen aus Fahrzeugabgasen oder anderen beweglichen Kohlendioxidquellen ausweiten. Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe macht etwa 75% aller in den USA erzeugten Treibhausgase aus.

Das neue Material ist einfach herzustellen, denn es benötigt hauptsächlich handelsübliches Melaminpulver - das heute etwa 40 Dollar pro Tonne kostet - sowie Formaldehyd und Cyanursäure, eine Chemikalie, die unter anderem zusammen mit Chlor in Schwimmbädern verwendet wird.

"Wir wollten ein Material zur Kohlenstoffabscheidung finden, das aus Quellen stammt, die wirklich billig und leicht zu beschaffen sind. Wir beschlossen, mit Melamin zu beginnen", sagte Jeffrey Reimer, Professor der Graduiertenschule im Fachbereich Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of California, Berkeley, und einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

Das so genannte poröse Melamin-Netzwerk bindet Kohlendioxid mit einer Effizienz, die mit den ersten Ergebnissen für ein anderes, relativ neues Material zur Kohlenstoffbindung, metallorganische Gerüste (MOFs), vergleichbar ist. Chemiker der UC Berkeley haben 2015 das erste derartige MOF zur Kohlenstoffabscheidung entwickelt, und nachfolgende Versionen haben sich als noch effizienter bei der Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen erwiesen, die beispielsweise aus einem Kohlekraftwerk stammen.

Haiyan Mao, ein Postdoktorand an der UC Berkeley und Erstautor der Studie, erklärte jedoch, dass Materialien auf Melaminbasis viel billigere Inhaltsstoffe verwenden, einfacher herzustellen und energieeffizienter sind als die meisten MOFs. Die niedrigen Kosten von porösem Melamin bedeuten, dass das Material in großem Umfang eingesetzt werden könnte.

"In dieser Studie konzentrierten wir uns auf ein kostengünstigeres Materialdesign für die Abscheidung und Speicherung sowie auf die Aufklärung des Wechselwirkungsmechanismus zwischen CO₂ und dem Material", so Mao. "Diese Arbeit schafft eine allgemeine Industrialisierungsmethode zur nachhaltigen CO₂-Abscheidung unter Verwendung poröser Netzwerke. Wir hoffen, dass wir in Zukunft einen Aufsatz für die Abscheidung von Autoabgasen entwerfen können, oder vielleicht einen Aufsatz für ein Gebäude oder sogar eine Beschichtung auf der Oberfläche von Möbeln."

Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen einer Gruppe an der UC Berkeley unter der Leitung von Reimer, einer Gruppe an der Stanford University unter der Leitung von Yi Cui, Direktor des Precourt Institute for Energy, Somorjai Visiting Miller Professor an der UC Berkeley und ehemaliger Postdoktorand an der UC Berkeley, Alexander Pines, Professor an der UC Berkeley Graduate School, und einer Gruppe an der Texas A&M University unter der Leitung von Hong-Cai Zhou. Jing Tang, Postdoktorandin in Stanford und am Stanford Linear Accelerator Center und Gastwissenschaftlerin an der UC Berkeley, ist gemeinsam mit Mao Erstautorin.

Kohlenstoffneutralität bis 2050

Die Abschaffung der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist für die Eindämmung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung. Eine wichtige Zwischenstrategie ist die Abscheidung von Kohlendioxidemissionen - dem wichtigsten Treibhausgas - und die unterirdische Speicherung des Gases oder die Umwandlung von CO₂ in nutzbare Produkte. Das US-Energieministerium hat bereits Projekte im Gesamtwert von 3,18 Milliarden Dollar angekündigt, um fortschrittliche und kommerziell skalierbare Technologien für die Abscheidung, Nutzung und Sequestrierung von Kohlendioxid (CCUS) zu fördern, um das ehrgeizige Ziel einer CO₂-Abscheidungseffizienz von 90% zu erreichen. Das ultimative Ziel der USA ist die völlige Abschaffung der Kohlenstoffemissionen bis 2050.

Doch die Kohlenstoffabscheidung ist noch lange nicht wirtschaftlich. Die derzeit beste Technik besteht darin, Rauchgase durch flüssige Amine zu leiten, die CO₂ binden. Dies erfordert jedoch große Energiemengen, um das Kohlendioxid freizusetzen, sobald es an die Amine gebunden ist, damit es konzentriert und unterirdisch gelagert werden kann. Das Amingemisch muss auf 120 bis 150 Grad Celsius (250-300 Grad Fahrenheit) erhitzt werden, um das CO₂ zu regenerieren.

Im Gegensatz dazu fängt das poröse Melaminnetzwerk mit DETA und Cyanursäuremodifikation CO₂ bei etwa 40 Grad Celsius, also etwas über Raumtemperatur, ein und gibt es bei 80 Grad Celsius, also unterhalb des Siedepunkts von Wasser, wieder ab. Die Energieeinsparungen ergeben sich daraus, dass die Substanz nicht auf hohe Temperaturen erhitzt werden muss.

Das Berkeley/Stanford/Texas-Team konzentrierte sich bei seinen Forschungen auf das weit verbreitete Polymer Melamin, das nicht nur in Formica, sondern auch in preiswertem Geschirr und Besteck, industriellen Beschichtungen und anderen Kunststoffen verwendet wird. Durch die Behandlung von Melaminpulver mit Formaldehyd - die die Forscher in Kilogrammmengen durchführten - entstehen im Melamin nanoskalige Poren, von denen die Forscher annahmen, dass sie CO₂ absorbieren würden.

Mao sagte, dass Tests bestätigten, dass mit Formaldehyd behandeltes Melamin CO₂ in gewissem Maße adsorbiert, die Adsorption jedoch durch Zugabe einer anderen aminhaltigen Chemikalie, DETA (Diethylentriamin), zur Bindung von CO₂ erheblich verbessert werden konnte. Sie und ihre Kollegen fanden anschließend heraus, dass die Zugabe von Cyanursäure während der Polymerisationsreaktion die Porengröße drastisch erhöhte und die CO₂-Abscheidungseffizienz radikal verbesserte: Nahezu das gesamte Kohlendioxid in einem simulierten Rauchgasgemisch wurde innerhalb von etwa 3 Minuten absorbiert.

Durch die Zugabe von Cyanursäure konnte das Material außerdem immer wieder verwendet werden.

Mao und ihre Kollegen führten Studien zur kernmagnetischen Resonanz (NMR) im Festkörper durch, um zu verstehen, wie Cyanursäure und DETA zusammenwirken, um die Kohlenstoffabscheidung so effizient zu machen. Die Studien zeigten, dass Cyanursäure starke Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Melaminnetzwerk bildet, die zur Stabilisierung von DETA beitragen und verhindern, dass es bei wiederholten Zyklen der Kohlenstoffabscheidung und -regeneration aus den Melaminporen herausgelöst wird.

"Haiyan und ihre Kollegen konnten mit diesen eleganten Techniken genau zeigen, wie diese Gruppen ineinandergreifen, wie das CO₂ mit ihnen reagiert und dass sie in Gegenwart dieser porenöffnenden Cyanursäure in der Lage sind, das CO₂ viele Male mit einer wirklich guten Kapazität ein- und auszuschalten", so Reimer. "Und die Geschwindigkeit, mit der das CO₂ adsorbiert wird, ist im Vergleich zu einigen anderen Materialien ziemlich schnell. Somit sind alle praktischen Aspekte dieses Materials für die CO₂-Abscheidung im Labormaßstab erfüllt, und es ist einfach unglaublich billig und leicht herzustellen."

"Mithilfe von Festkörper-Kernspinresonanztechniken haben wir den Mechanismus der Reaktion der amorphen Netze mit CO₂ systematisch und auf atomarer Ebene bis ins kleinste Detail aufgeklärt", so Mao. "Für die Energie- und Umweltgemeinschaft schafft diese Arbeit eine hochleistungsfähige Festkörpernetzwerk-Familie zusammen mit einem gründlichen Verständnis der Mechanismen, fördert aber auch die Entwicklung der Forschung an porösen Materialien von Versuch-und-Irrtum-Methoden hin zu einer rationalen, schrittweisen Modulation auf atomarer Ebene".

Die Gruppen von Reimer und Cui arbeiten weiter an der Optimierung der Porengröße und der Amingruppen, um die Effizienz der Kohlenstoffbindung in porösen Melaminnetzwerken zu verbessern und gleichzeitig die Energieeffizienz zu erhalten. Dazu wird eine Technik namens dynamische kombinatorische Chemie eingesetzt, um die Anteile der Bestandteile zu variieren und so eine effektive, skalierbare, wiederverwertbare und leistungsstarke CO₂-Abscheidung zu erreichen.

Reimer und Mao haben auch eng mit der Cui-Gruppe in Stanford zusammengearbeitet, um andere Arten von Materialien zu synthetisieren, darunter hierarchische nanoporöse Membranen - eine Klasse von Nanokompositen, die mit einer Kohlenstoffkugel und Graphenoxid kombiniert sind - und hierarchische nanoporöse Kohlenstoffe aus Kiefernholz, die Kohlendioxid adsorbieren. Reimer entwickelte die Festkörper-NMR speziell zur Charakterisierung des Mechanismus, durch den feste Materialien mit Kohlendioxid interagieren, um bessere Materialien für die Kohlenstoffabscheidung aus der Umwelt und die Energiespeicherung zu entwickeln. Cui entwickelte eine robuste und nachhaltige Festkörperplattform und Fabrikationstechniken für die Herstellung neuer Materialien zur Bekämpfung des Klimawandels und zur Energiespeicherung.