Feuchtigkeitsempfindliche Polymere verbessern die CO2-Abscheidung

Forschende haben herausgefunden, dass winzige Strukturunterschiede in zwei feuchtigkeitsempfindlichen Polymeren bestimmen, wie schnell sie Kohlendioxid mithilfe eines energiearmen Verfahrens aus der Luft aufnehmen.

Das Ergebnis weist auf einen einfacheren Weg zur CO2-Entnahme hin: Feuchtigkeit könnte einen großen Teil der Energie ersetzen, die üblicherweise zum Freisetzen des gebundenen Gases erforderlich ist.

Im Inneren der Kunststoffe

Im Inneren der beiden kommerziellen Polymere entdeckte das Team den Strukturhinweis, der eine schnellere von einer langsameren CO2-Abscheidung unterscheidet.

Gayathri Yogaganeshan, Doktorandin an der Arizona State University (ASU), führte den Leistungsunterschied auf den inneren Aufbau der Materialien und ihre Reaktion auf Feuchtigkeit zurück.

Die Untersuchung ergab, dass IRA-900, das offenere Harz, mehr CO2 aufnahm und früher damit begann als FAA-3.

Der Vorsprung von IRA-900 zeigte sich jedoch nicht in jedem Prozessschritt. Daher rückte die Luftfeuchtigkeit als nächster Erklärungsfaktor in den Fokus.

Feuchtigkeit verändert die CO2-Abscheidung

Bei trockener Luft binden die chemisch aktiven Stellen dieser Polymere Kohlendioxid als Hydrogencarbonat, ein kohlenstoffhaltiges geladenes Teilchen im Polymer.

Steigt die Feuchtigkeit, ordnet Wasser die geladenen Teilchen neu an und verschiebt das Material in Richtung Carbonat, einer verwandten kohlenstofftragenden Ionenform, wodurch CO2 freigesetzt wird.

Da die Poren äußerst klein sind, können selbst geringfügige Änderungen der Abstände beeinflussen, wie sich Wasser einlagert und welche Reaktion überwiegt.

Dieser feuchtigkeitsgesteuerte Wechsel, auch Moisture Swing genannt, bindet und setzt CO2 abhängig vom Feuchtegrad frei und bietet damit einen energiearmen Weg zur Regeneration.

Feuchtigkeit formt Poren um

Röntgenmuster und Mikroskopaufnahmen zeigten, dass beide Materialien bei steigender Luftfeuchtigkeit anschwollen und sich beim Trocknen der Luft wieder entspannten.

Die kleinsten wiederkehrenden Abstände im Material verringerten sich dennoch leicht. Dieses überraschende Ergebnis deutete darauf hin, dass Wasser dicht gedrängte molekulare Räume umformt.

Bei IRA-900 offenbarten die Aufnahmen zudem Poren, Cluster und übereinandergelagerte innere Schichten, die zusätzliche Wege für Gas und Wasser bildeten.

Diese zusätzlichen Transportwege erklärten mit, weshalb das Material Kohlendioxid effizienter bewegte, ohne seine grundlegende Nass-Trocken-Reaktion zu verändern.

Geschwindigkeit gegenüber Kapazität

Wasser drang in beide Materialien nahezu gleich schnell ein und verließ sie auch beinahe im selben Tempo, obwohl sich ihre Formen und Porenstrukturen stark unterschieden.

Die fast identische Wasserbewegung sprach dafür, dass die dichte molekulare Packung die Wasseraufnahme stärker steuert als sichtbare Poren.

Kohlendioxid verhielt sich anders: IRA-900 setzte es in feuchter Luft schneller frei und nahm es beim Trocknen früher wieder auf.

Die Trennung dieser beiden Effekte liefert Materialentwicklern ein klareres Ziel, denn Wasserzugang und CO2-Abscheidung verbessern sich nicht automatisch gemeinsam.

Energieverbrauch der CO2-Abscheidung

Die meisten Anlagen zur direkten Luftabscheidung, also Maschinen, die CO2 aus der Umgebungsluft entfernen, nutzen weiterhin Wärme oder Druck, um gebundenes Gas freizusetzen.

Feuchtigkeitsbasierte Materialien sollen diesen Schritt vermeiden, indem sie den Wechsel stattdessen durch feuchte und trockene Luft auslösen.

Weltweit wurden bislang nur 27 Anlagen in Betrieb genommen, was zeigt, wie früh diese Technologie noch in ihrer Entwicklung steht.

Zugleich weist der jüngste globale Trend der NOAA Kohlendioxidkonzentrationen von mehr als 427 Teilen pro Million aus und erhöht damit den Druck auf die Entwicklung von Verfahren zur CO2-Entnahme.

Brüchigkeit bremst den Einsatz

Keines der beiden Polymere wurde ursprünglich für Klimaanwendungen entwickelt, und beide bringen Nachteile mit, die ihre langfristige Nutzung begrenzen.

In ihrer aktuellen Form sind diese Materialien spröde und haben nur eine begrenzte Kapazität; sie speichern lediglich geringe Mengen Kohlendioxid.

Die veröffentlichte Analyse weist darauf hin, dass die Materialien für einen wirtschaftlichen Einsatz möglicherweise rund 100.000 Nass-Trocken-Zyklen überstehen müssen.

Damit wird Haltbarkeit ebenso wichtig wie Geschwindigkeit, denn ein schnelles Material versagt, sobald wiederholtes Anschwellen es beschädigt.

Ein Blick ins Materialinnere

Zu den schwierigsten Fortschritten gehörte es, in diese weichen Materialien hineinzusehen, ohne genau die untersuchte Struktur zu zerstören.

Mithilfe eines fokussierten Ionenstrahls, eines Werkzeugs zum Abtragen winziger Schichten, bereitete das Team Querschnitte vor, die dünn genug für tiefere Bildanalysen waren.

Unter feuchteren Bedingungen zeigten diese Schnitte, dass IRA-900 stärker verklumpte und weniger porös wurde, was die spätere Gasbewegung behindern könnte.

Die feuchteren Querschnitte machten eine entscheidende Grenze sichtbar: Dieselbe Feuchtigkeit, die CO2 freisetzt, kann auch die Transportwege verändern.

Gayathris Lehre für das Design

In einer aktuellen Berichterstattung über das Projekt beschrieb die ASU-Forscherin Yogaganeshan die Arbeit als praktische Antwort auf das Energieproblem der CO2-Entnahme.

„Unsere Forschung befasst sich mit der dringenden Herausforderung, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen, indem wir Materialien für eine energiearme, feuchtigkeitsgesteuerte direkte Luftabscheidung untersuchen“, sagte Yogaganeshan.

Ihre Ergebnisse legen nahe, dass künftige Polymere zugängliche Poren mit begrenztem Anschwellen verbinden sollten, anstatt ausschließlich auf maximale Offenheit zu setzen.

Diese Erkenntnis verdeutlicht eine zentrale Einschränkung: Das beste Material zur CO2-Abscheidung muss über Jahre hinweg im Freien stabil bleiben.

Skalierung der CO2-Abscheidung

Bundesplaner streben vier US-Zentren für direkte Luftabscheidung an, die jeweils etwa 1,1 Millionen Tonnen (1 Million metrische Tonnen) CO2 pro Jahr verarbeiten können.

In dieser Größenordnung können Entwickler keine Materialien einsetzen, die Energie verschwenden, durch Wasser verstopfen oder bei wiederholten Feuchtigkeitsschwankungen reißen.

„Diese Erkenntnisse schaffen eine Grundlage für die Entwicklung energieeffizienterer Materialien zur skalierbaren Kohlendioxidentnahme und haben Auswirkungen auf die Weiterentwicklung praxistauglicher Technologien zur CO2-Abscheidung“, sagte Yogaganeshan.

Eine Übersicht darüber, wie sich die Struktur unter Feuchtigkeit verändert, bietet großen Projekten zur Luftabscheidung einen realistischeren Ausgangspunkt.

Zukunft der CO2-Abscheidung

Aus dieser Arbeit ergibt sich eine einfache Lehre mit anspruchsvoller technischer Umsetzung: Feuchtigkeit kann helfen, CO2 zu entfernen, doch die Struktur entscheidet über die Wirksamkeit.

Die nächsten Materialien benötigen offene Wege für Gas, eine präzise Steuerung des Wassers und die Widerstandsfähigkeit, diesen Zyklus über Jahre hinweg zu wiederholen.