Untersuchungen des Oak Ridge National Laboratory zu Magnesiumoxid zur Kohlenstoffabscheidung zeigen, dass sich die Absorptionsraten im Laufe der Zeit aufgrund der Bildung von Oberflächenschichten verlangsamen, was die Wirtschaftlichkeit in Frage stellt und Orientierung für zukünftige lösungsorientierte Forschung bietet. Magnesiumoxid ist ein vielversprechendes Material, um Kohlendioxid direkt aus der Atmosphäre einzufangen und tief in die Erde zu injizieren, um die Auswirkungen des Klimawandels zu begrenzen. Damit dieser Ansatz jedoch kosteneffektiv ist, muss man herausfinden, wie schnell Kohlendioxid absorbiert wird und wie sich Umweltbedingungen auf die damit verbundenen chemischen Reaktionen auswirken.

Bei einer vorgeschlagenen Methode zur Kohlenstoffabscheidung verbinden sich Magnesiumoxidkristalle am Boden mit Kohlendioxidmolekülen in der Umgebungsluft und bilden Magnesiumcarbonat. Das Magnesiumcarbonat wird dann erhitzt, wodurch es wieder in Magnesiumoxid umgewandelt wird und das Kohlendioxid freigesetzt wird, das unter der Erde abgelagert oder abgesondert wird. Quelle: AdamMalin/ORNL, US-Energieministerium

Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums analysierten eine Probe von Magnesiumoxidkristallen, die jahrzehntelang der Atmosphäre ausgesetzt gewesen waren, sowie eine weitere Probe von Magnesiumoxidkristallen, die tage- bis monatelang der Atmosphäre ausgesetzt gewesen waren, um die Reaktionsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Sie fanden heraus, dass Kohlendioxid aufgrund der reaktiven Schicht, die sich auf der Oberfläche der Magnesiumoxidkristalle bildete, über längere Zeiträume langsamer absorbiert wurde.

„Diese reaktive Schicht ist eine komplexe Mischung verschiedener Feststoffe, die die Fähigkeit von Kohlendioxidmolekülen einschränkt, frisches Magnesiumoxid zu finden, mit dem sie reagieren können. Um diese Technologie kosteneffektiv zu machen, arbeiten wir jetzt an Möglichkeiten, diesen Panzerungseffekt zu überwinden“, sagte Juliane Weber vom ORNL, eine Hauptforscherin des Projekts. „Wenn uns das gelingt, kann dieser Prozess möglicherweise das Ziel eines kohlenstoffnegativen Earthshot erreichen, nämlich Gigatonnen Kohlendioxid aus der Luft für weniger als 100 US-Dollar pro Tonne Kohlendioxid einzufangen.“

Die meisten früheren Studien, die darauf abzielten, zu verstehen, wie schnell Magnesiumoxid und Kohlendioxid chemisch reagieren, stützten sich eher auf indirekte Berechnungen als auf Materialtests. Die ORNL-Studie ist der erste jahrzehntelange Test zur Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit über lange Zeiträume. Mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie am Centre for Nanomaterials Science (CNMS) des ORNL stellten die Forscher fest, dass sich eine reaktive Schicht gebildet hatte. Diese Schicht besteht aus einer komplexen Vielfalt kristalliner und amorpher Hydrat- und Carbonatphasen.

„Darüber hinaus haben wir durch Computersimulationen einiger Reaktionstransportmodelle festgestellt, dass die Bildung der Reaktionsschicht das Kohlendioxid besser daran hindert, neues Magnesiumoxid zu finden, mit dem es reagieren kann“, sagte Vitaliy Starchenko, Forscher am ORNL. „Deshalb überlegen wir, wie wir diesen Prozess umgehen und es dem Kohlendioxid ermöglichen können, neue Oberflächen zu finden, mit denen es reagieren kann.“

Computersimulationen helfen Wissenschaftlern und Ingenieuren zu verstehen, wie sich die Reaktionsschicht entwickelt und wie sich die Art und Weise, wie sich Materie durch sie bewegt, im Laufe der Zeit verändert. Computermodelle ermöglichen Vorhersagen über die Reaktion und Bewegung von Materialien in natürlichen und technischen Systemen wie Materialwissenschaften und Geochemie.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily