Durchbruch bei der Abscheidung von "heißem" CO2 aus Industrieabgasen
Ein metallorganisches Gerüst ist in der Lage, CO2 bei extremen Temperaturen abzuscheiden
Industrieanlagen, die z. B. Zement oder Stahl herstellen, stoßen große Mengen Kohlendioxid, ein starkes Treibhausgas, aus, aber die Abgase sind zu heiß für moderne Technologien zur CO2-Abscheidung. Für die Abkühlung der Abgase wird viel Energie und Wasser benötigt, was die Einführung der CO2-Abscheidung in einigen der umweltschädlichsten Industrien behindert hat.
In der Mitte links ist einer der kristallinen Bausteine eines thermisch stabilen metallorganischen Gerüsts (MOF), bekannt als ZnH-MFU-4l, das in der Lage ist, das Treibhausgas Kohlendioxid reversibel und selektiv aus einem Gemisch vieler industriell relevanter Gase abzuscheiden. CO2 ist links hervorgehoben, neben Stickstoff-, Sauerstoff-, Wasserstoff-, Kohlenmonoxid- und Wassermolekülen. Das MOF kann CO2 über viele Zyklen bei 300 C abscheiden, einer typischen Temperatur der Abgase von Zement- und Stahlwerken. Die Zinkhydridgruppen im MOF binden reversibel die Kohlendioxidmoleküle und geben sie wieder frei (rechts). Hellblaue, graue, blaue, rote und weiße Kugeln stellen Zn-, C-, N-, O- bzw. H-Atome dar.
Rachel Rohde, Kurtis Carsch and Jeffrey Long, UC Berkeley
Jetzt haben Chemiker der University of California, Berkeley, herausgefunden, dass ein poröses Material wie ein Schwamm wirken kann, um CO2 bei Temperaturen abzuscheiden, die denen vieler Industrieabgase nahe kommen. Das Material - eine Art metallorganisches Gerüst (MOF) - wird in einem Artikel beschrieben, der am 15. November in der Printausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht wird.
Die vorherrschende Methode zur Abscheidung von Kohlenstoff aus Kraftwerks- oder Industrieabgasen verwendet flüssige Amine, um CO2 zu absorbieren, aber die Reaktion funktioniert nur bei Temperaturen zwischen 40 und 60 C (100-140 F) effizient. Zement- und Stahlwerke produzieren Abgase mit einer Temperatur von mehr als 200 °C (400 °F), und manche Industrieabgase erreichen sogar 500 °C (930 °F). Neue Materialien, die derzeit erprobt werden, darunter eine Unterklasse von MOFs mit zugesetzten Aminen, brechen bei Temperaturen über 150 °C zusammen oder arbeiten weit weniger effizient.
"Es ist eine kostspielige Infrastruktur erforderlich, um diese heißen Gasströme auf die entsprechenden Temperaturen zu kühlen, damit die bestehenden Technologien zur Kohlenstoffabscheidung funktionieren", so Kurtis Carsch, einer der beiden Erstautoren der Studie und Postdoktorand an der UC Berkeley. "Unsere Entdeckung wird die Art und Weise, wie Wissenschaftler über Kohlenstoffabscheidung denken, verändern. Wir haben herausgefunden, dass ein MOF Kohlendioxid bei noch nie dagewesenen Temperaturen abscheiden kann - Temperaturen, die für viele CO2-emittierende Prozesse relevant sind. Das war etwas, was man bisher für ein poröses Material nicht für möglich gehalten hat."
"Unsere Arbeit bewegt sich weg von der vorherrschenden Untersuchung von Kohlenstoffabscheidungssystemen auf Aminbasis und zeigt einen neuen Mechanismus für die Kohlenstoffabscheidung in einem MOF, der den Betrieb bei hohen Temperaturen ermöglicht", sagte die UC Berkeley-Absolventin und Mitautorin Rachel Rohde.
Wie alle MOFs besteht das Material aus einer porösen, kristallinen Anordnung von Metallionen und organischen Verbindungselementen mit einer inneren Fläche, die etwa sechs Fußballfeldern pro Esslöffel entspricht - eine riesige Fläche für die Adsorption von Gasen.
"Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur verfügen MOFs über eine hohe Dichte an Stellen, an denen CO2 unter geeigneten Bedingungen gebunden und wieder abgegeben werden kann", so Carsch.
Unter simulierten Bedingungen haben die Forscher gezeigt, dass dieser neue MOF-Typ heißes CO2 in Konzentrationen abscheiden kann, die den Abgasen von Zement- und Stahlwerken entsprechen, die im Durchschnitt 20 bis 30 % CO2 enthalten, sowie weniger konzentrierte Emissionen von Erdgaskraftwerken, die etwa 4 % CO2 enthalten.
Die Entfernung von CO2 aus Industrie- und Kraftwerksemissionen, um es anschließend entweder unterirdisch zu lagern oder zur Herstellung von Kraftstoffen oder anderen wertschöpfenden Chemikalien zu verwenden, ist eine Schlüsselstrategie zur Reduzierung der Treibhausgase, die die Erde erwärmen und das Klima weltweit verändern. Während erneuerbare Energiequellen den Bedarf an CO2-emittierenden, mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraftwerken bereits verringern, ist es schwieriger, Industrieanlagen, die intensiv auf fossile Brennstoffe zurückgreifen, nachhaltig zu gestalten, weshalb die Rauchgasabscheidung von entscheidender Bedeutung ist.
"Wir müssen anfangen, über die CO2-Emissionen von Industrien wie der Stahl- und Zementherstellung nachzudenken, die sich nur schwer dekarbonisieren lassen, weil sie wahrscheinlich auch dann noch CO2 ausstoßen werden, wenn sich unsere Energieinfrastruktur stärker auf erneuerbare Energien verlagert", so Rohde.
Wechsel von Aminen zu Metallhydriden
Rohde und Carsch forschen im Labor von Jeffrey Long, Professor für Chemie, Chemie- und Biomolekulartechnik sowie für Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley. Long forscht seit mehr als einem Jahrzehnt an CO2-adsorbierenden MOFs. Sein Labor hat 2015 ein vielversprechendes Material entwickelt, das von Longs Start-up-Unternehmen Mosaic Materials weiterentwickelt wurde, das 2022 von dem Energietechnikunternehmen Baker Hughes übernommen wurde. Dieses Material enthält Amine, die das CO2 abscheiden; Varianten der nächsten Generation werden als Alternativen zu wässrigen Aminen für die CO2-Abscheidung in Pilotanlagen und als Möglichkeit zur direkten Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft getestet.
Allerdings sind diese MOFs, wie auch andere poröse Adsorbentien, bei den hohen Temperaturen, die in vielen Rauchgasen herrschen, unwirksam, so Carsch.
Adsorbentien auf Aminbasis, wie die von Long entwickelten, stehen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Forschung zur Kohlenstoffabscheidung. Das von Rohde, Carsch, Long und ihren Kollegen untersuchte MOF weist stattdessen Poren auf, die mit Zinkhydridstellen ausgestattet sind, die ebenfalls CO2 binden. Diese Stellen erwiesen sich als erstaunlich stabil, so Rohde.
"Molekulare Metallhydride können reaktiv sein und haben eine geringe Stabilität", so Rohde. "Dieses Material ist sehr stabil und kann 90 % oder mehr des CO2 binden, mit dem es in Berührung kommt, was für die Abscheidung an einer Punktquelle wirklich notwendig ist. Die CO2-Kapazität ist vergleichbar mit der von MOFs mit Aminbeschichtung, allerdings bei viel höheren Temperaturen.
Sobald das MOF mit CO2 gefüllt ist, kann das CO2 entfernt bzw. desorbiert werden, indem der CO2-Partialdruck gesenkt wird, entweder durch Spülen mit einem anderen Gas oder durch Anlegen eines Vakuums. Das MOF kann dann für einen weiteren Adsorptionszyklus wiederverwendet werden.
"Da die Entropie es begünstigt, dass Moleküle wieCO2 mit steigender Temperatur immer mehr in der Gasphase verbleiben, wurde es allgemein für unmöglich gehalten, solche Moleküle mit einem porösen Feststoff bei Temperaturen über 200 °C einzufangen", so Long. "Diese Arbeit zeigt, dass mit der richtigen Funktionalität - in diesem Fall Zinkhydridstellen - eine schnelle, reversible CO2-Abscheidung mit hoher Kapazität bei hohen Temperaturen wie 300 C möglich ist.
Rohde, Long und ihre Kollegen erforschen Varianten dieser Metallhydrid-MOF, um zu sehen, welche anderen Gase sie adsorbieren können, und auch Modifikationen, die es diesen Materialien ermöglichen, noch mehr CO2 zu adsorbieren.
"Wir können uns glücklich schätzen, dass wir diese Entdeckung gemacht haben, die neue Wege in der Trennungswissenschaft eröffnet hat, die sich auf die Entwicklung funktioneller Adsorbentien konzentriert, die bei hohen Temperaturen arbeiten können", sagte Carsch, der eine Fakultätsstelle im Fachbereich Chemie an der University of Texas in Austin angenommen hat. "Es gibt eine enorme Anzahl von Möglichkeiten, wie wir das Metallion und den Linker in MOFs abstimmen können, so dass es möglich sein könnte, solche Adsorbentien für andere Hochtemperatur-Gastrennverfahren, die für die Industrie und die Nachhaltigkeit relevant sind, rationell zu gestalten."
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Originalveröffentlichung
Rachel C. Rohde, Kurtis M. Carsch, Matthew N. Dods, Henry Z. H. Jiang, Alexandra R. McIsaac, Ryan A. Klein, Hyunchul Kwon, Sarah L. Karstens, Yang Wang, Adrian J. Huang, Jordan W. Taylor, Yuto Yabuuchi, Nikolay V. Tkachenko, ... Andrew M. Minor, Jeffrey A. Reimer, Martin Head-Gordon, Craig M. Brown, Jeffrey R. Long; "High-temperature carbon dioxide capture in a porous material with terminal zinc hydride sites"; Science, Volume 386
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