Die Northwestern University hat eine „Humidity Swing“-Technologie für die direkte Luftkohlenstoffabscheidung (DAC) entwickelt, die eine Reihe von Ionen nutzt, um Kohlendioxid bei niedriger Luftfeuchtigkeit einzufangen und bei hoher Luftfeuchtigkeit freizusetzen. Diese Forschung verbessert das Verständnis von DAC und bietet eine energieeffizientere Methode zur Kohlenstoffabscheidung als herkömmliche Technologien.
Während sich die globale Gesellschaft auf die Dekarbonisierung der Industrieproduktion zubewegt, wird es notwendig sein, nicht nur die Entstehung von neuem Kohlenstoff in der Atmosphäre zu verhindern, sondern auch das bereits vorhandene Kohlendioxid zu extrahieren.
Während sich die herkömmliche Kohlenstoffabscheidung darauf konzentriert, Kohlendioxid am Ort der Emission in einem kohlenstoffreichen Prozess zu sammeln, extrahiert die „Direct Air Capture“ (DAC) Kohlenstoff unter normalen atmosphärischen Bedingungen. Dieser Ansatz wird im Kampf gegen den Klimawandel immer wichtiger, insbesondere da unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen abnimmt und die Notwendigkeit, Kohlenstoff an der Quelle abzufangen, abnimmt. Mithilfe der Feuchtigkeitstechnologie haben Wissenschaftler mehrere neue Ionen entdeckt, die zur energiearmen Kohlenstoffbindung beitragen.
Neue Forschungsergebnisse der Northwestern University demonstrieren eine neue Methode zur Kohlenstoffabscheidung aus Umgebungsbedingungen. Sie untersucht die Beziehung zwischen Wasser und Kohlendioxid in einem System und liefert Informationen zur „Feuchtigkeitswechsel“-Technologie, die Kohlendioxid auffängt, wenn die Luftfeuchtigkeit niedrig ist, und es freisetzt, wenn die Luftfeuchtigkeit hoch ist. Diese Methode kombiniert innovative kinetische Methoden mit einer Vielzahl von Ionen, um Kohlenstoff von fast überall zu entfernen.
Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht.
Vinayak P. Dravid von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie, sagte: „Wir haben nicht nur die Auswahl der Kohlenstoffeinfangionen erweitert und optimiert, sondern auch dazu beigetragen, die Grundlagen komplexer Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Oberfläche aufzudecken. Diese Arbeit erweitert unser kollektives Verständnis von DAC, und unsere Daten und Analysen sind eine starke Motivation für Theoretiker und Experimentatoren, die Kohlenstoffabscheidung unter realen Bedingungen weiter zu verbessern.“
Dravid ist Abraham-Harris-Professor am Department of Materials Science and Engineering der McCormick School of Engineering der Northwestern University und Direktor für globale Initiativen am International Nanotechnology Institute. Die Doktoranden John Hegarty und Benjamin Shindel sind die Co-Erstautoren der Arbeit.
Schindel sagte, die Idee hinter dem Papier sei aus dem Wunsch entstanden, Umweltbedingungen zu nutzen, um Reaktionen zu fördern. „Wir mögen die Kohlenstoffabscheidung mit nassem Pendel, weil sie keine expliziten Energiekosten verursacht. Obwohl die Befeuchtung einer bestimmten Luftmenge eine bestimmte Menge Energie erfordert, erhält man die Feuchtigkeit im Idealfall „kostenlos“ und ist energetisch auf ein natürliches Reservoir an feuchter und trockener Luft in der Nähe der Umgebung angewiesen.“
Das Forschungsteam erhöhte auch die Anzahl der verwendeten Ionen, um die Reaktion zu ermöglichen.
„Wir haben nicht nur die Anzahl der Ionen verdoppelt, die eine ideale Kohlenstoffbindung bei Luftfeuchtigkeit erreichen können, sondern wir haben auch das bisher leistungsstärkste System entdeckt“, sagte John Hegarty.
In den letzten Jahren begann sich die Technologie zur Erfassung von Feuchtigkeitsschwankungen zu entwickeln. Herkömmliche Kohlenstoffabscheidungsmethoden verwenden Adsorptionsmittel, um Kohlendioxid an einem Quellenort einzufangen und dann Wärme oder ein erzeugtes Vakuum zu nutzen, um das Kohlendioxid aus dem Adsorptionsmittel freizusetzen. Die Energiekosten dieses Ansatzes sind hoch.
Herkömmliche Methoden zur Kohlenstoffabscheidung speichern Kohlendioxid, was bedeutet, dass viel Energie für die Freisetzung und Wiederverwendung erforderlich ist. Auch dieser Ansatz funktioniert nicht überall. Beispielsweise sind die Landwirtschaft sowie Beton- und Stahlhersteller große Emissionsquellen, aber ihr großer Fußabdruck macht es unmöglich, Kohlenstoff aus einer einzigen Quelle zu binden. Wohlhabendere Länder sollten danach streben, die Emissionen unter Null zu senken, während Entwicklungsländer mit einer stärker kohlenstoffbasierten Wirtschaft ihre Kohlendioxidproduktion reduzieren sollten.
Ein weiterer leitender Autor, Chemieprofessor Omar Farha, verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Erforschung der Rolle von Metalloxid-Gerüststrukturen (MOF) in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Kohlendioxidabscheidung und -speicherung.
„DAC ist ein komplexes, vielschichtiges Problem, das einen interdisziplinären Ansatz erfordert“, sagte Farha. „Was ich an dieser Arbeit schätze, sind die detaillierten und sorgfältigen Messungen komplexer Parameter. Jeder vorgeschlagene Mechanismus muss diese komplizierten Beobachtungen berücksichtigen.“
Frühere Forscher haben sich auf Carbonat- und Phosphationen konzentriert, um das Einfangen von Feuchtigkeitsschwankungen zu fördern, und haben spezifische Hypothesen entwickelt, warum diese spezifischen Ionen wirksam sind. Aber Dravids Team hofft, eine breitere Palette von Ionen testen zu können, um herauszufinden, welche am besten funktionieren. Insgesamt stellten sie fest, dass die Ionen mit den höchsten Wertigkeitszuständen – vor allem Phosphate – am wirksamsten waren. Daher begannen sie mit der Suche nach mehrwertigen Ionen, schlossen einige davon aus und fanden neue Ionen, die für diese Anwendung wirksam waren, darunter Silikate und Borate.
Das Team glaubt, dass zukünftige Experimente in Verbindung mit Computermodellen dazu beitragen werden, besser zu erklären, warum einige Ionen wirksamer sind als andere.
Es gibt bereits Unternehmen, die an der Kommerzialisierung der direkten CO2-Abscheidung aus der Luft arbeiten und CO2-Gutschriften nutzen, um Unternehmen zum Ausgleich ihrer Emissionen anzuregen. Viele Unternehmen binden Kohlenstoff, der bereits durch Aktivitäten wie die Änderung landwirtschaftlicher Praktiken gebunden ist, während dieser Ansatz explizit Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre binden, es dann konzentrieren und schließlich speichern oder wiederverwenden könnte.
Dravids Team plant, dieses Kohlendioxid-Abscheidungsmaterial mit einer porösen Schwammplattform zu kombinieren, die sie zuvor entwickelt haben, um Umweltgifte wie Öl, Phosphate und Mikroplastik zu entfernen.