25.08.2009 - Angewandte Chemie

Türchen auf für CO2

Flexibles dreidimensionales Gitter bindet Kohlendioxid selektiv und effizient

Fabrikschlote, die nichts anderes als Kohlendioxid und Wasserdampf herausbliesen, galten lange als vorbildlich. Mittlerweile ist CO2 als Treibhausgas in Verruf geraten und das Risiko eines Klimawandels eines der drängendsten Umweltprobleme unserer Zeit. Wie aber kann man die zunehmende Freisetzung von CO2 bremsen? Effektive Methoden zur Entfernung des Treibhausgases aus industrieller Abluft werden gesucht. Koreanische Forscher haben jetzt ein poröses Material entwickelt, das CO2 effizient und hochselektiv binden und speichern kann. Wie Myunghyun Paik Suh und Hye-Sun Choi in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, enthält das gitterartige Netzwerk flexible „Säulen“, die die Poren des dreidimensionalen Gitters für CO2 regelrecht öffnen können.

Viele poröse Materialien sind in der Lage, CO2 und andere Gasmoleküle aufzunehmen. CO2 bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck selektiv aus industriellen Abgasen herauszuholen, die gleichzeitig andere Gase wie Stickstoff, Methan oder Wasser enthalten, ist jedoch nach wie vor eine große technische Herausforderung.

Das Forscherteam hat jetzt porösese dreidimensionale Netzwerke aus so genannten Koordinationspolymeren entwickelt. Als Bausteine dienen verschiedene Nickelkomplexe und organische Moleküle. Diese lagern sich zu zweidimensionalen gitterartigen Flächen zusammen, die gestapelt vorliegen und über „Säulen“ verbunden sind. Der besondere Trick dabei: Die Säulen sind nicht starr, sondern sehr flexibel. Dadurch sind die entstehenden Hohlräume der Struktur von variabler Größe und können sich eingelagerten Gastmolekülen anpassen.

Das symmetrische Molekül Kohlendioxid besitzt ein permanentes elektrisches Quadrupolmoment, das man als zwei Rücken an Rücken liegende elektrische Dipole mit entgegengesetzter Richtung beschreiben könnte. Dieser Quadrupol tritt mit dem dreidimensionalen Gitter in Wechselwirkung und bringt die Säulen dazu, die „Tore“ zu öffnen, sodass das Gas in die Hohlräume eintreten kann. Im Gegensatz dazu zeigen Stickstoff, Wasserstoff und Methan ein wesentlich kleineres Quadrupolmoment. Für sie bleiben die Poren verschlossen. Dass der in Luft reichlich vorhandene Stickstoff draußen bleiben muss, ist für einen potenziellen CO2-Fänger essenziell. Zudem sind die neuen nickelhaltigen Materialien auch noch bei Temperaturen von 300 °C stabil und gegenüber Luft und Wasser beständig – auch dies sind wichtige Voraussetzungen für einen eventuellen industriellen Einsatz.

Wird der Umgebungsdruck reduziert, wird das gespeicherte CO2 wieder freigesetzt. Ein solches Material wäre daher für Prozesse geeignet, in denen Kohlendioxid durch einen Druckwechsel zyklisch gespeichert und wieder freigesetzt werden soll.

Originalveröffentlichung: Myunghyun Paik Suh et al.; "Highly Selective CO2 Capture in Flexible 3D Coordination Polymer Networks"; Angewandte Chemie 2009, 121, No. 37, 6997-7001

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