Abscheidung von Kohlendioxid direkt aus der Luft
Mithilfe einer feuchtigkeitsbetriebenen Technologie fanden Forscher mehrere neue Ionen, die eine energiesparende Kohlenstoffbindung ermöglichen
Selbst wenn die Welt langsam beginnt, industrielle Prozesse zu dekarbonisieren, erfordert das Erreichen niedrigerer atmosphärischer Kohlenstoffkonzentrationen Technologien, die vorhandenes Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen - und nicht nur seine Entstehung verhindern.
Neue Ionen erleichterten die Kohlenstoffabscheidung.
Dravid lab / Northwestern University
Bei der typischen Kohlenstoffabscheidung wird das CO2 direkt an der Quelle eines kohlenstoffintensiven Prozesses abgefangen. Die Abscheidung von Kohlenstoff in der Umgebung oder die direkte Abscheidung aus der Luft (Direct Air Capture", DAC) hingegen kann Kohlenstoff aus den typischen Umgebungsbedingungen herausnehmen und dient als eine Waffe im Kampf gegen den Klimawandel, vor allem, wenn die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen abnimmt und damit auch der Bedarf an der Abscheidung von Kohlenstoff an der Quelle.
Neue Forschungsarbeiten der Northwestern University zeigen einen neuartigen Ansatz zur Abscheidung von Kohlenstoff aus der Umwelt, der die Beziehung zwischen Wasser und Kohlendioxid in Systemen untersucht, um die "Moisture-Swing"-Technik zu unterstützen, die CO2 bei niedriger Luftfeuchtigkeit abscheidet und bei hoher Luftfeuchtigkeit freisetzt. Der Ansatz umfasst innovative kinetische Methoden und eine Vielzahl von Ionen, die die Entfernung von Kohlenstoff aus praktisch allen Bereichen ermöglichen.
Die Studie wurde (am 3. Oktober) in der Zeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht.
"Wir erweitern und optimieren nicht nur die Auswahl der Ionen für die Kohlenstoffabscheidung, sondern tragen auch dazu bei, die Grundlagen der komplexen Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Oberfläche zu entschlüsseln", sagte Vinayak P. Dravid von Northwestern, einer der Hauptautoren der Studie. "Diese Arbeit bringt unser kollektives Verständnis von DAC voran, und unsere Daten und Analysen geben der Gemeinschaft, Theoretikern wie Experimentatoren, einen starken Impuls, die Kohlenstoffabscheidung unter praktischen Bedingungen weiter zu verbessern.
Dravid ist Abraham Harris Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Direktor für globale Initiativen am International Institute for Nanotechnology. Die Doktoranden John Hegarty und Benjamin Shindel waren die Co-Erstautoren der Studie.
Shindel sagte, die Idee für die Arbeit sei aus dem Wunsch entstanden, die Umgebungsbedingungen zu nutzen, um die Reaktion zu erleichtern.
"Uns gefiel die Kohlenstoffabscheidung durch Feuchtigkeitsschwingung, weil sie keine bestimmten Energiekosten hat", sagte Shindel. "Auch wenn ein gewisser Energieaufwand erforderlich ist, um ein Luftvolumen zu befeuchten, könnte man die Feuchtigkeit im Idealfall energetisch gesehen kostenlos erhalten, indem man sich auf eine Umgebung stützt, in der natürliche trockene und feuchte Luftreservoirs nahe beieinander liegen."
Die Gruppe erweiterte auch die Anzahl der Ionen, die zur Ermöglichung der Reaktion verwendet werden.
"Wir haben nicht nur die Zahl der Ionen verdoppelt, die die gewünschte feuchtigkeitsabhängige Kohlenstoffabscheidung ermöglichen, sondern auch die bisher leistungsstärksten Systeme entdeckt", so John Hegarty.
In den letzten Jahren hat die feuchtigkeitsabhängige Kohlenstoffabscheidung einen Aufschwung erlebt. Herkömmliche Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung verwenden Sorbentien, um CO2 an der Quelle abzuscheiden, und verwenden dann Wärme oder erzeugtes Vakuum, um CO2 aus dem Sorbent freizusetzen. Dies ist mit hohen Energiekosten verbunden.
"Die herkömmliche CO2-Abscheidung hält das CO2 fest, was bedeutet, dass es viel Energie erfordert, um es freizusetzen und wiederzuverwenden", so Hegarty.
Außerdem funktioniert das Verfahren nicht überall, so Shindel. Die Landwirtschaft, die Beton- und die Stahlindustrie beispielsweise tragen wesentlich zu den Emissionen bei, haben aber einen so großen Fußabdruck, dass es unmöglich ist, Kohlenstoff an einer einzigen Quelle abzuscheiden.
Shindel fügte hinzu, dass die wohlhabenderen Länder versuchen sollten, ihre Emissionen auf unter Null zu senken, während die Entwicklungsländer, die stärker auf die Kohlenstoffwirtschaft angewiesen sind, ihre CO2-Produktion zurückfahren.
Ein weiterer Hauptautor, Chemieprofessor Omar Farha, hat Erfahrung mit der Erforschung der Rolle von Metall-Oxid-Framework (MOF)-Strukturen für verschiedene Anwendungen, einschließlich CO2-Abscheidung und -Speicherung.
"DAC ist ein komplexes und vielschichtiges Problem, das einen interdisziplinären Ansatz erfordert", so Farha. "Was ich an dieser Arbeit schätze, sind die detaillierten und sorgfältigen Messungen der komplexen Parameter. Jeder vorgeschlagene Mechanismus muss diese komplizierten Beobachtungen erklären."
In der Vergangenheit haben sich Forscher auf Karbonat- und Phosphat-Ionen konzentriert, um das Einfangen von Feuchtigkeitsschwingungen zu erleichtern, und haben spezifische Hypothesen darüber aufgestellt, warum diese spezifischen Ionen wirksam sind. Dravids Team wollte jedoch ein breiteres Spektrum von Ionen testen, um herauszufinden, welche am effektivsten sind. Insgesamt stellten sie fest, dass Ionen mit der höchsten Wertigkeit - meist Phosphate - am wirksamsten waren, und sie begannen, eine Liste mehrwertiger Ionen abzuarbeiten, wobei sie einige ausschlossen und neue Ionen fanden, die für diese Anwendung geeignet waren, darunter Silikat und Borat.
Das Team ist der Ansicht, dass künftige Experimente in Verbindung mit Computermodellierung dazu beitragen werden, besser zu erklären, warum bestimmte Ionen wirksamer sind als andere.
Es gibt bereits Unternehmen, die daran arbeiten, die direkte Kohlenstoffabscheidung aus der Luft zu kommerzialisieren, indem sie Kohlenstoffgutschriften nutzen, um Anreize für Unternehmen zu schaffen, ihre Emissionen auszugleichen. Viele von ihnen binden Kohlenstoff, der bereits durch Aktivitäten wie veränderte landwirtschaftliche Praktiken gebunden wurde, während dieser Ansatz eindeutig CO2 direkt aus der Atmosphäre bindet, wo es dann konzentriert und schließlich gespeichert oder wiederverwendet werden könnte.
Dravids Team plant, solche CO2-bindenden Materialien in seine frühere poröse Schwammplattform zu integrieren, die zur Entfernung von Umweltgiften wie Öl, Phosphaten und Mikroplastik entwickelt wurde.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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