Um die globale Erwärmung zu verlangsamen, müssen die Treibhausgasemissionen deutlich reduziert werden. Dazu gehört der Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und die Einführung energiesparender Technologien. Allerdings reicht die Reduzierung der Emissionen allein nicht aus, um die Klimaziele zu erreichen. Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, große Mengen Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen und es unter der Erde zu speichern oder in der Industrie als CO2-neutrale Materialien wiederzuverwenden. Aktuelle Technologien zur Kohlenstoffabscheidung sind zwar effektiv, aber energieintensiv und kostspielig.
Deshalb entwickeln Forschende der ETH Zürich eine neue Möglichkeit, Licht nutzbar zu machen. Mit diesem Ansatz wird die Energie, die für die künftige Kohlenstoffabscheidung benötigt wird, von der Sonne stammen.
Unter der Leitung von Maria Lukatskaya, Professorin für elektrochemische Energiesysteme, machen sich die Wissenschaftler die Tatsache zunutze, dass Kohlendioxid in saurem Wasser als Kohlendioxid vorliegt, in alkalischem Wasser das Kohlendioxid jedoch zu Carbonaten, sogenannten Carbonaten, reagiert. Diese chemische Reaktion ist reversibel. Der Säuregehalt einer Flüssigkeit bestimmt, ob sie Kohlendioxid oder Carbonate enthält.
Um den Säuregehalt der Flüssigkeit zu beeinflussen, fügten die Forscher Moleküle hinzu, die auf Licht reagieren (sogenannte Photosäuren). Wenn man Licht auf diese Flüssigkeit richtet, machen diese Moleküle sie sauer. Im Dunkeln kehren sie in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wodurch die Flüssigkeit alkalisch wird.
Im Detail funktioniert die Methode der ETH-Forscher: Die Forscher trennen im Dunkeln Kohlendioxid aus der Luft, indem sie es durch eine Flüssigkeit mit Photosäure leiten. Da diese Flüssigkeit alkalisch ist, reagiert das Kohlendioxid und bildet Carbonate. Sobald sich das Salz in der Flüssigkeit auf ein bestimmtes Maß angesammelt hat, beleuchten die Forscher die Flüssigkeit. Dadurch wird die Flüssigkeit sauer und die Carbonate werden in Kohlendioxid umgewandelt. Das Kohlendioxid sprudelt wie in einer Cola-Flasche aus der Flüssigkeit und kann in einem Gastank gesammelt werden. Als fast kein Kohlendioxid mehr in der Flüssigkeit vorhanden war, schalteten die Forscher die Lichtquelle aus und der Zyklus begann von neuem, sodass die Flüssigkeit das Kohlendioxid einfangen konnte.
„In der Praxis trat jedoch ein Problem auf: Die verwendete Photosäure war in Wasser nicht stabil“, sagt Annade Vries, Doktorandin in Lukatskayas Forschungsgruppe und Erstautorin der Studie. „Bei den ersten Experimenten haben wir festgestellt, dass sich das Molekül nach einem Tag zersetzt.“
Also analysierten Lukatskaya, de Vries und ihre Kollegen den Zerfall des Moleküls. Sie lösten dieses Problem, indem sie nicht in Wasser, sondern in einer Mischung aus Wasser und organischen Lösungsmitteln reagierten. Das optimale Verhältnis der beiden Flüssigkeiten ermittelten die Wissenschaftler durch Laborexperimente und erklärten ihre Erkenntnisse durch Modellrechnungen von Forschern der Sorbonne-Universität in Paris.
Erstens hielt die Mischung die Photosäuremoleküle fast einen Monat lang stabil in Lösung. Andererseits sorgt es dafür, dass das Licht je nach Bedarf zwischen sauren und alkalischen Lösungen hin und her wechseln kann. Würde das von den Forschern verwendete organische Lösungsmittel kein Wasser enthalten, wäre die Reaktion irreversibel.
Auch andere Kohlenstoffabscheidungsprozesse sind zyklisch. Eine bewährte Methode ist die Verwendung von Filtern zum Sammeln von Kohlendioxidmolekülen bei Umgebungstemperatur. Um anschließend Kohlendioxid aus dem Filter zu entfernen, muss der Filter auf etwa 100 Grad Celsius erhitzt werden. Allerdings sind sowohl das Heizen als auch das Kühlen energieintensiv: Sie machen den Großteil der für Filterverfahren benötigten Energie aus.
„Im Gegensatz dazu benötigt unser Prozess weder Heizen noch Kühlen und benötigt daher deutlich weniger Energie“, sagte Lukatskaya. „Darüber hinaus funktioniert die neue Methode der ETH-Forscher möglicherweise auch allein mit Sonnenlicht. Ein weiterer interessanter Aspekt unseres Systems ist, dass wir in Sekundenschnelle von alkalisch auf sauer und in Minuten wieder zurück auf alkalisch wechseln können. Dadurch können wir viel schneller zwischen Kohlenstoffabscheidung und Kohlenstofffreisetzung wechseln als bei einem temperaturgesteuerten System.“
Mit dieser Studie zeigten die Forscher, dass Photosäure verwendet werden kann, um Kohlendioxid im Labor einzufangen. Als nächstes werden sie die Stabilität des Photosäuremoleküls weiter verbessern und es auf den Markt bringen. Sie müssen außerdem die Parameter des gesamten Prozesses untersuchen, um den Prozess weiter zu optimieren.
Referenz: „Gelöste abgestimmte Photosäuren als stabile lichtgetriebene pH-Schalter für die Aufnahme und Freisetzung von Kohlendioxid“, von Annade Vries, Kateryna Goloviznina, Manuel Reiter, Mathieu Salanne und Maria R. Lukatskaya, 20. Dezember 2023, „Materialchemie“.
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
Zusammengestellt von /scitechdaily