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18.02.2013: Um den Kohlendioxid-Ausstoß von Kohle-Kraftwerken zu verringern, könnte das CO2 aus der Abluft abgetrennt und gelagert oder als Kohlenstoffquelle für Synthesen genutzt werden. Bisherige Verfahren kranken daran, dass sie selbst viel zu viel Energie benötigen. Australische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine Metall-organische Gerüstverbindung vor, die CO2 adsorbiert und bei Bestrahlung mit Sonnenlicht wieder freigibt.
Derzeitige Techniken zur Entfernung von CO2 aus der Abluft von Kraftwerken mithilfe flüssiger Amine verbrauchen enorme Mengen Energie, teilweise bis zu 30 % der von einem Kraftwerk produzierten Energie. Die meiste Energie wird benötigt, um das CO2 wieder aus dem Absorbens freizusetzen, durch Erhöhung der Temperatur oder Anlegen eines Vakuums.
Das Team um Richelle Lyndon und Matthew R. Hill setzt stattdessen auf die Nutzung von konzentriertem Sonnenlicht als Energiequelle für die CO2-Freisetzung. Realisieren wollen die australischen Forscher dies mithilfe so genannter Metall-organischer Gerüstverbindungen (metal-organic framework, MOF) als CO2-Adsorber. Es handelt sich dabei um gerüstartig aufgebaute Kristalle, die in ihren Poren Gastmoleküle aufnehmen können. Deren „Knotenpunkte“ bestehen aus Metallionen oder -clustern, die „Verstrebungen“ aus organischen Molekülen. Über eine geschickte Wahl der einzelnen Komponenten lassen sich die Größe und die chemischen Eigenschaften der Poren regelrecht maßschneidern. In diesem Fall sind sie so ausgelegt, dass CO2 gut in die Poren eingelagert werden kann.
Das Team von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) und der Monash University wählte als senkrechte bzw. waagerechte Verstrebungen zwei verschiedene organische Moleküle, die aber eines gemeinsam haben: Unter Bestrahlung mit UV-Licht verändern sie ihre räumliche Struktur. Da die Gruppen fest in das Gerüst eingebaut sind, entstehen Spannungen, die die Moleküle daran hindern, rasch zwischen den beiden Gestalten zu wechseln. Aus diesem Grund können sich immer nur kleinere begrenzte Bereiche des Gerüsts zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegen, was verhindert, dass die gesamte Struktur kollabiert.
Durch die oszillierenden Strukuränderungen nehmen die anziehenden Wechselwirkungen zwischen den Porenoberflächen und dem aufgenommenen CO2 drastisch ab. Ein Großteil des CO2 wird wie Wasser beim Auswringen eines Schwamms regelrecht aus dem Gerüst heraus „gepresst“.
Dieser Prozess läuft zwar am besten mit UV-Licht, funktioniert aber auch mit konzentriertem natürlichem Sonnenlicht. Die auf Licht reagierenden Metall-organischen Gerüste könnten daher ein interessanter Ansatz sein, um CO2 energieeffizient aus Verbrennungsgasen abzutrennen. Nun muss unter anderem geklärt werden, wie eine Abtrennung bei realen Abgasen läuft.
Originalveröffentlichung:
Matthew R. Hill, Dynamic Photo-Switching in Metal–Organic Frameworks as a Route to Low-Energy Carbon Dioxide Capture and Release, Angewandte Chemie
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