Atomdünne Graphen-Membranen machen Kohlenstoffabscheidung effizienter
Angesichts des weltweiten Kampfes gegen den Klimawandel ist der Bedarf an effizienten und kostengünstigen Technologien zur Kohlenstoffabscheidung dringender denn je. In diesem Sinne erforschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Reihe von Innovationen zur drastischen Verringerung der industriellen Kohlenstoffemissionen, die für die Eindämmung der globalen Erwärmung von entscheidender Bedeutung sind.
Eine davon ist die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (Carbon Capture, Usage and Storage, CCUS), eine wichtige Technologie zur Reduzierung von Kohlendioxid (CO2)-Emissionen aus schwer abbaubaren industriellen Quellen wie Kraftwerken, Zementfabriken, Stahlwerken und Müllverbrennungsanlagen. Die derzeitigen Abscheidungsmethoden beruhen jedoch auf energieintensiven Prozessen, was sie kostspielig und nicht nachhaltig macht.
Die Forschung zielt nun darauf ab, Membranen zu entwickeln, die CO2 selektiv und mit hoher Effizienz abscheiden und so die mit CCS verbundenen Energie- und Finanzkosten senken können. Doch selbst modernste Membranen, wie z. B. dünne Polymerfilme, sind in Bezug auf die CO2-Durchlässigkeit und -Selektivität begrenzt, was ihre Skalierbarkeit einschränkt.
Die Herausforderung besteht also darin, Membranen zu entwickeln, die gleichzeitig eine hohe CO2-Durchlässigkeit und -Selektivität bieten, was für eine effektive Kohlenstoffabscheidung entscheidend ist.
Einem Team von Forschenden unter der Leitung von Kumar Varoon Agrawal an der EPFL ist nun ein Durchbruch in diesem Bereich gelungen. Sie haben Membranen entwickelt, die eine aussergewöhnliche CO2-Abscheidungsleistung aufweisen, indem sie Pyridinstickstoff an den Rändern der Graphenporen einbauen. Die Membranen bieten ein bemerkenswertes Gleichgewicht aus hoher CO2-Durchlässigkeit und Selektivität, was sie für verschiedene industrielle Anwendungen sehr vielversprechend macht. Die Arbeit wurde in Nature Energy veröffentlicht.
Die Forschenden begannen mit der Synthese von einlagigen Graphenfilmen durch chemische Gasphasenabscheidung auf Kupferfolie. Durch kontrollierte Oxidation mit Ozon brachten sie Poren in das Graphen ein, die mit Sauerstoffatomen funktionalisiert wurden. Anschliessend entwickelten sie eine Methode, um Stickstoffatome in Form von Pyridin-N am Porenrand einzubauen, indem sie das oxidierte Graphen mit Ammoniak bei Raumtemperatur umsetzten.
Die Forschenden bestätigten den erfolgreichen Einbau von Pyridin-Stickstoff und die Bildung von CO2-Komplexen an den Porenrändern mit Hilfe verschiedener Techniken wie Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Rastertunnelmikroskopie. Der Einbau von Pyridinstickstoff verbesserte die Bindung von CO2 an Graphenporen erheblich.
Die resultierenden Membranen wiesen einen hohen CO2/N2-Trennfaktor auf, der bei einem Gasstrom mit 20 % CO2 durchschnittlich 53 betrug. Bemerkenswert ist, dass Ströme mit etwa 1 % CO2 aufgrund der kompetitiven und reversiblen Bindung von CO2 an den Porenrändern, die durch den Pyridinstickstoff begünstigt wird, Trennfaktoren von über 1000 erreichen.
Schematische Darstellung von porösem Graphen, das Pyridin-N (dargestellt als violette Kugeln) an den Porenrändern enthält. Die resultierende Membran ist hochselektiv für CO2. Grafik: Kuang-Jung Hsu (EPFL)
Die Forschenden zeigten auch, dass das Verfahren zur Herstellung von Membranen skalierbar ist und Hochleistungsmembranen im Zentimetermassstab produziert werden können. Dies ist zentral für praktische Anwendungen und bedeutet, dass die Membranen in grossem Massstab in der Industrie eingesetzt werden können.
Die hohe Leistung dieser Graphenmembranen bei der Abscheidung von CO2, selbst aus verdünnten Gasströmen, kann die Kosten und den Energiebedarf von Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung erheblich senken. Diese Innovation eröffnet neue Wege auf dem Gebiet der Membranwissenschaft, die zu nachhaltigeren und wirtschaftlicheren CCUS-Lösungen führen können.
Die einheitliche und skalierbare Chemie, die bei der Herstellung der Membranen verwendet wird, bedeutet, dass sie bald in grösserem Massstab hergestellt werden können. Das Team versucht nun, diese Membranen in einem kontinuierlichen Rolle-für-Rolle-Verfahren herzustellen. Die Vielseitigkeit und Effizienz dieser Membranen könnte die Art und Weise, wie die Industrie ihre Emissionen bewältigt, verändern und zu einer saubereren Umwelt beitragen.
