Kohlendioxid auf Knopfdruck eingefangen

Laut einer in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie kann das System aus dem Labor des Chemie- und Biomolekularingenieurs Haotian Wang Kohlendioxid direkt aus Quellen wie Rauchgasen oder der Atmosphäre abscheiden, indem es eine elektrochemische Reaktion von Wasser und Sauerstoff mit Hilfe von Strom auslöst. Diese technologische Errungenschaft könnte die direkte Abscheidung aus der Luft in marginalen Industrien - derzeit sind weltweit nur 18 Anlagen in Betrieb - zu einem vielversprechenden Ansatz zur Eindämmung des Klimawandels machen.

Die meisten Anlagen zur Kohlendioxidabscheidung arbeiten mit einem zweistufigen Verfahren: Zunächst wird das säurehaltige Kohlendioxid mit Hilfe von Flüssigkeiten mit hohem pH-Wert aus Mischgasströmen wie Rauchgas abgetrennt. Anschließend wird das Kohlendioxid durch Erhitzen oder Einspritzen einer Flüssigkeit mit niedrigem pH-Wert aus der Lösung regeneriert.

"Sobald das Kohlendioxid in diesen Lösungsmitteln gebunden ist, muss es regeneriert werden", sagt Wang. "Herkömmliche Aminwaschverfahren erfordern Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius (212 bis 392 Grad Fahrenheit). Verfahren, die auf Kalziumkarbonat basieren, benötigen Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius. "Bei unserem Verfahren werden buchstäblich keine Chemikalien produziert oder verbraucht. Wir müssen unser Gerät auch nicht aufheizen oder unter Druck setzen, wir stecken es einfach in die Steckdose und es funktioniert.

Ein weiterer Nachteil der derzeitigen Technologien zur Kohlenstoffabscheidung ist ihre Abhängigkeit von einer groß angelegten, zentralisierten Infrastruktur. Im Gegensatz dazu ist das im Wang-Labor entwickelte System ein skalierbares, modulares Konzept für den Einsatz vor Ort, das an eine Vielzahl von Szenarien angepasst werden kann. "Die Technologie kann auf industrielle Umgebungen ⎯ Kraftwerke, Chemiewerke ⎯ hochskaliert werden, aber das Tolle daran ist, dass sie auch im kleinen Maßstab eingesetzt werden kann: Ich kann sie sogar in meinem Büro einsetzen", sagt Wang. "Wir könnten zum Beispiel Kohlendioxid aus der Atmosphäre gewinnen und dieses konzentrierte Gas kontinuierlich in ein Gewächshaus leiten, um das Pflanzenwachstum anzuregen. Wir haben von Raumfahrtunternehmen gehört, die daran interessiert sind, das Gerät auf Raumstationen einzusetzen, um das von den Astronauten ausgeatmete Kohlendioxid zu entfernen.

Der von Wang und seinem Team entwickelte Reaktor kann kontinuierlich Kohlendioxid aus einem simulierten Rauchgas entfernen, und zwar mit einer Effizienz von über 98 Prozent und einem relativ geringen Stromverbrauch. "Mit dem Strom, der benötigt wird, um eine 50-Watt-Glühbirne eine Stunde lang zu betreiben, können 10 bis 25 Liter hochreines Kohlendioxid gewonnen werden", sagt Peng Zhu, Doktorand in Chemie- und Biomolekulartechnik und Hauptautor der Studie.

Wang weist darauf hin, dass das Verfahren "keinen oder nur einen sehr geringen Kohlenstoff-Fußabdruck" hat, wenn es mit Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne oder Wind betrieben wird. "Das ist eine gute Nachricht, wenn man bedenkt, dass Strom aus erneuerbaren Energiequellen immer billiger wird", so Wang.

Der Reaktor besteht aus einer Kathode für die Sauerstoffreduktion, einer Anode für die Sauerstoffentwicklung und einem kompakten, aber porösen Festelektrolyten, der eine effiziente Ionenleitung ermöglicht. In einer früheren Version des Reaktors wurde Kohlendioxid zu reinen flüssigen Brennstoffen und Sauerstoff zu reinen Wasserstoffperoxidlösungen reduziert. "Früher konzentrierte sich unsere Gruppe hauptsächlich auf die Nutzung von Kohlendioxid", sagt Zhu. "Wir arbeiteten an der Herstellung reiner flüssiger Produkte wie Essigsäure, Ameisensäure und so weiter."

Die Forscher fanden heraus, dass die alkalische Grenzfläche, die sich bei den Reduktionsreaktionen auf der Kathodenseite des Reaktors bildet, mit Kohlendioxidmolekülen wechselwirkt und dabei Karbonationen bildet. Die Karbonationen wandern in die feste Elektrolytschicht des Reaktors, wo sie sich mit den Protonen aus der Wasseroxidation auf der Anodenseite zu einem kontinuierlichen Strom hochreinen Kohlendioxids verbinden.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation (2029442), der Robert A. Welch Foundation (C-2051-20200401) und der David and Lucile Packard Foundation (2020-71371) unterstützt.

Bildtext 2: Peng Zhu (left) and Haotian Wang beside their carbon-capture device prototype. (Photo by Jeff Fitlow/Rice University).

Quelle und Fotos: Rice University