Materialforschung Neues Material kann CO2 effizient abscheiden

Der Anblick rauchender Fabrikschlote ist alltäglich, allerdings gelangt mit dem Rauchgas CO2 in die Atmosphäre. Chemiker der ETH Lausanne stellen nun ein neues Materialdesign vor, mit dem sich CO2 aus solchen feuchten Abgasen besser abscheiden lässt als bisher.

Die CO2-Emissionen müssen dringend sinken, um den Klimawandel zu bremsen, wie Forschende mahnen. Eine Möglichkeit ist, das CO2 gar nicht erst in die Atmosphäre gelangen zu lassen, sondern aus dem Rauchgas von Kraftwerken oder Fabriken abzuscheiden, in Gesteinsformationen zu speichern oder zu rezyklieren. An Materialien, mit denen sich das CO2 aus Abgasen entfernen lässt, wird rege geforscht. Insbesondere Stoffe aus der Familie der Metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) gelten als vielversprechend.

Ein Problem dieser Materialien ist jedoch, dass die meisten Wasser noch besser binden als CO2. Das heisst, das feuchte Rauchgase zunächst getrocknet werden müssen, bevor sich das CO2 daraus entfernen lässt. Technisch ist das zwar machbar, aber teuer, wie die ETH Lausanne (EPFL) in einer Mitteilung vom Mittwoch schreibt.

Ein Forschungsteam unter Leitung von Berend Smit von der EPFL hat nun neue Materialien entworfen und produziert, die dieses Problem umgehen und damit auch aus feuchten Rauchgasen CO2 entfernen können. Und das sogar effizienter als bisherige Materialien. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler im Fachblatt «Nature» vor.

Wie bei Medikamentenentwicklung

Smit und sein Team nutzten dafür einen Ansatz aus der Medikamentenentwicklung: Bei der Suche nach neuen Wirkstoffkandidaten werden zunächst Millionen von Substanzen auf ihre Fähigkeit getestet, an eine für die Krankheit essentielle Zielstruktur zu binden. Durch Vergleich aller Moleküle, die dies tun, lässt sich ein gemeinsames «Motiv» – also ein Element in der Struktur dieser Substanzen – identifizieren, das für die Bindung verantwortlich ist. Dieses Motiv dient als Basis für das Design der tatsächlichen Wirkstoffmoleküle.

Analog gingen die EPFL-Forschenden vor: Mit diesem Ansatz entwarfen sie am Computer 325'000 Materialien aus der Familie der sogenannten Metallorganische Gerüstverbindungen, deren Gemeinsamkeit die Fähigkeit zur CO2-Bindung ist. Anschliessend engten sie die Auswahl ein anhand von Strukturmotiven in diesen Materialien, die zwar CO2 gut binden, nicht jedoch Wasser. Der Algorithmus lieferte am Ende 35 Kandidatenmaterialien, die CO2 aus feuchten Rauchgasen besser entfernen als die bereits kommerziell verfügbaren.

Die Forschenden gingen schliesslich noch einen Schritt weiter und synthetisierten diese Materialien. In Zusammenarbeit mit internationalen Kollegen testeten sie die Fähigkeit dieser Stoffe zur CO2-Abscheidung aus feuchten Rauchgasen und verglichen diese mit bisherigen Materialien. Die Experimente bestätigten die computerbasierten Vorhersagen der Forschenden um Smit.