Poröses Material filtert Kohlendioxid

Berkeley (USA) - Der beste Klimaschutz ist die Vermeidung von CO2-Emissionen. Doch um die globale Erwärmung auf weniger als zwei Grad zu begrenzen, wird es auch nötig sein, bereits freigesetztes CO2 aus der Luft zu filtern. Diese Verfahren – „Direct Air Capture“ (DAC) genannt – benötigen spezielle Materialien, die möglichst viel CO2 an sich binden und danach kontrolliert wieder abgeben können. Eine Arbeitsgruppe von Forschenden aus Saudi Arabien, Deutschland und den USA entwickelte nun eine Substanz, die sich besonders gut als CO2-Filter eignet. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, könnten nur 200 Gramm des Materials pro Jahr so viel CO2 aus der Luft entnehmen wie ein Baum.

Dutzende Substanzen von flüssigen Natronlösungen bis zu festen Silikat-Keramiken können CO2-Moleküle an sich binden. Am besten funktionieren bisher metallorganische Gerüstverbindungen, die dank ihres porösen Aufbaus besonders viele CO2-Moleküle aus der Luft filtern können. Allerdings läuft dieser Prozess nicht immer schnell genug ab. Zudem sind oft hohe Temperaturen von mehreren hundert Grad nötig, um das eingefangene CO2 kontrolliert wieder freisetzen zu können. Erst danach lässt sich das Filtermaterial wieder verwenden.

Das Team um Zihui Zhou von der University of California in Berkeley erschuf nun in mehreren Syntheseschritten ein kritallin-poröses Material, das sich besonders gut als CO2-Filter eignet. Es besteht aus speziellen organischen Molekülen, den Olefin-Polymeren, die sich zu einer festen Substanz mit zahlreichen, wenige Nanometer großen Poren anordneten. An die Innenwände dieser sechseckigen Poren dockten die Forschende viele Amin-Gruppen an, die gezielt CO2-Moleküle an sich binden können. Dieses Material nannten sie COF – ein Kürzel für „covalent organic framework“, auf deutsch konvalentes organisches Gerüst.

In ersten Versuchen ließ Zihui Zhou Umgebungsluft bei Raumtemperatur durch das Material strömen. Dabei filterte es ausschließlich CO2-Moleküle aus der Luft heraus bis es nach etwa zwei Stunden vollständig gefüllt war, sich also an allen Andockstellen CO2-Moleküle befanden. Danach folgte die kontrollierte Freisetzung der CO2-Moleküle, um das COF-Material für den nächsten Einsatz zu regenerieren. Hierzu genügte ein Aufheizen auf relativ geringe Temperaturen zwischen 60 und 100 Grad Celsius. Bisher kann ein Gramm COF knapp ein zehntel Gramm CO2 an sich binden. Doch Zihui Zhou ist davon überzeugt, diese Menge und auch die Reaktionsgeschwindigkeit durch optimierte molekulare Strukturen weiter steigern zu können.

Diese Studie zeigt, dass spezielle organische Gerüstverbindungen sehr gut als CO2-Filter geeignet sind. Es ist nicht ausgeschlossen, damit die Kosten für die CO2-Entnahme aus der Luft von derzeit 500 bis 1000 Euro pro Tonne CO2 weiter zu senken. Doch für einen klimarelavante Effekt wären gigantische DAC-Anlagen nötig. Allein für die CO2-Emissionen eines einzigen der derzeit rund 27.000 Verkehrsflugzeuge müssten etwa 160 Tonnen des neuen COF-Materials eingesetzt werden.