Neue Lösung revolutioniert CO2-Abscheidung

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Durch Licht aktivierte Säure fördert Freisetzung von abgeschiedenem CO2

ForscherInnen am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums haben eine Lösung für das größte Problem der CO2-Abscheidung aus den Rauchgasen von Kraftwerken oder aus der Luft gefunden: Die Abtrennung des CO2 aus der Waschflüssigkeit, die das Klimagas herausfiltert.
Mithilfe von Licht anstelle von Wärme haben die ORNL-Forschenden einen neuen Weg gefunden, Kohlendioxid aus einem Lösungsmittel freizusetzen, das bei der direkten Luftabscheidung (Direct Air Capture, DAC) verwendet wird, um dieses Treibhausgas einzufangen.

CO2-Abscheidung – Fotomontage © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft, für Solarify

Der neuartige Ansatz ebnet den Weg für eine wirtschaftlich sinnvolle Abtrennung von CO2 aus der Atmosphäre. Aminosäuresorbentien (S) im Wasser können CO2 direkt aus der Luft einfangen. Die Amingruppe reagiert mit CO2 und bildet eine Mischung aus Chemikalien, darunter Bicarbonat (HCO3-). Dieser Mischung fügten die Forscher eine Photosäure (PA) hinzu. Wenn der Reaktionsbehälter Licht ausgesetzt wurde, veränderte sich die Photosäure strukturell und übertrug ein Proton auf das Wasser. Dies machte die Mischung saurer und verschob ihr Gleichgewicht, sodass mehr Kohlensäure (H2CO3) entsteht, die instabil ist und sich bei Raumtemperatur leicht in CO2 und Wasser umwandelt.

Wird die Reaktionskammer abgedeckt, um das Licht zu blockieren, kehrt die Photosäure in ihre ursprüngliche protonierte Form (die trans-Konfiguration) zurück und die Aminosäuren sind nun bereit (deprotoniert) für den nächsten Zyklus der CO2-Abscheidung.

Die bedarfsgesteuerte Freisetzung von Kohlendioxid ist möglich, weil der langlebige angeregte Zustand einer neuartigen Säure die Protonenkonzentration der Lösung mithilfe von ultraviolettem Licht steuert und so Bedingungen schafft, die zur energieeffizienten Freisetzung von CO2 führen. Im Gegensatz dazu filtern aktuelle DAC-Technologien Luft durch eine wässrige Lösung, die ein Sorptionsmaterial, etwa eine Aminosäure, enthält, das atmosphärisches CO2 aufnimmt und festhält. Durch Erhitzen des Lösungsmittels wird das CO2 freigesetzt und die Aminosäure zur Wiederverwertung regeneriert. Das CO2 kann entweder gespeichert oder in Mehrwertprodukte wie Ethanol, Polymere oder Beton umgewandelt werden.

„Bei den bestehenden Direct-Air-Capture-Technologien sind die CO2-Freisetzung und die Sorptionsmittelregeneration die energieintensivsten Schritte“, sagte ORNL-Chemiker Yingzhong Ma, der die in Angewandte Chemie International Edition veröffentlichte Studie zusammen mit den ORNL-Kollegen Radu Custelcean und Uvinduni Premadasa – beide Chemiker – leitete. „Ziel ist hier die Verwendung des Aminosäure-Sorptionsmittels, das recycelbar ist und viele attraktive Eigenschaften aufweist, kombiniert mit einem energieeffizienteren Ansatz zur Freisetzung des CO2 und zur Regeneration des Sorptionsmittels.“

Die National Academy of Sciences kam zu dem Schluss, dass DAC-Technologien dazu beitragen, jährlich Milliarden Tonnen CO2 aus der Atmosphäre zu entfernen und so helfen, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf weniger als 2 Grad Celsius (etwa 4 Grad Fahrenheit) zu begrenzen. Allerdings machen die hohen Energiekosten, die mit der Regeneration des Sorptionsmittels und der CO2-Freisetzung in einem Ausmaß verbunden sind, das den Klimawandel abmildern würde, einen derart massiven Einsatz zu einer großen Herausforderung, welche die Entwicklung neuer DAC-Prozesse erforderlich macht.

Der vom ORNL geleitete Ansatz lieferte einen Machbarkeitsnachweis für die Verwendung von Bestrahlung mit ultraviolettem Licht unter Umgebungsbedingungen anstelle des Erhitzens der Lösung, um das CO2 freizusetzen und das Sorptionsmittel zu regenerieren. „Das Erhitzen wässriger Lösungen ist eine gängige Regenerationsmethode, aber sie ist äußerst energieintensiv“, sagte Custelcean, ein Pionier im Bereich DAC. „Wir wollten Hitze aus der Gleichung nehmen.“ Custelcean leitete 2017 eine Studie, die bewies, dass ein Guanidin-Sorptionsmittel CO2 direkt aus der Luft einfangen kann. 2018 demonstrierten er und seine Kollegen eine praktische, energieeffiziente DAC-Methode, die Sonnenwärme nutzt, um die Freisetzung des Treibhausgases aus einem Aminosäuresorbens voranzutreiben.

In diesem Jahr hat das in Knoxville ansässige Startup Holocene die Technologie lizenziert, um sie für den industriellen Einsatz vorzubereiten. Bei dieser Neuentwicklung ist der Schlüssel zur CO2-Freisetzung bei Umgebungsbedingungen eine Photosäure, ein Molekül, das bei der Absorption von Licht saurer wird. Beleuchten Sie eine Säure, beispielsweise Essig, und nichts passiert. Setzt man dagegen eine Photosäure ultraviolettem oder sichtbarem Licht aus, rotiert eine chemische Gruppe in der Mitte der Säure von der gegenüberliegenden Seite einer Bindung zur gleichen Seite. Eine anschließende Reaktion bildet einen Ring, der zur Übertragung eines Protons oder Wasserstoffions auf das Lösungsmittel Wasser führt. Diese Übertragung erhöht den Säuregehalt der Lösung dramatisch und führt zu einer Änderung, die als „pH-Schwankung“ bezeichnet wird. Die überschüssigen Protonen können nun mit Bikarbonat oder HCO3– interagieren, das bei der Reaktion von CO2 mit dem Sorptionsmittel entsteht. Das Bikarbonat nimmt ein Proton auf und wird zu Kohlensäure oder H2CO3, was nur einen energetisch günstigen Schritt von Kohlendioxid und Wasser entfernt ist. „Diese Arbeit beschreibt das erste Mal, dass die makroskopische pH-Schwankung von Minuten bis Stunden unter Verwendung von Licht als externem Auslöser zur Einleitung des CO2-Regimes demonstriert wurde,“ sagte Vyacheslav „Slava“ Bryantsev, Leiter der Gruppe für chemische Trennungen des ORNL und Co -Autor des Papiers. „Man kann das Licht einfach ein- und ausschalten, um die Reaktion reversibel zu steuern“, sagte Ma. „Man kann CO2 im Dunkeln einfangen und dann einfach das Licht einschalten, wenn man CO2 zur Lagerung oder zur Herstellung von Mehrwertprodukten freisetzen möchte. Es gibt Ihnen die Möglichkeit, den Prozess bei Bedarf einfach zu steuern.“

Allerdings benötigten die Forscher einen zusätzlichen Trick des Lichts. Herkömmliche Photosäuren würden nicht funktionieren, da die Lebensdauer ihrer angeregten Zustände sehr kurz ist – lediglich Nanosekunden. Sie geben Protonen ab, bleiben dann aber größtenteils in der gleichen Konfiguration. „Dann ändert man den Säuregehalt nur für kurze Zeit“, sagte Bryantsev. Ma und Custelcean, welche die Idee hatten, eine Photosäure zur Auslösung der CO2-Freisetzung in DAC-Anwendungen zu verwenden, stießen auf dieses Problem, als sie Experimente mit einer kommerziell erhältlichen Photosäure begannen. „Wenn sich Kohlensäure zersetzt, hat sie im Wasser eine kurze Lebensdauer, die in der Größenordnung von einigen Sekunden liegt. Aber das ist eine Unendlichkeit im Vergleich zur Lebensdauer einer normalen Photosäure, die Nanosekunden oder Milliardstel Sekunden beträgt“, sagte Custelcean. „Deshalb kann man diese Chemie nicht mit einer normalen Photosäure durchführen: Es dauert Sekunden, um CO2 aus Kohlensäure freizusetzen, aber es dauert nur Nanosekunden, bis die Photosäure das Proton zurücknimmt.“

Bryantsev hatte die Idee, eine andere Klasse von Photosäuren mit einem langlebigen angeregten Zustand auszuprobieren. Sie wird als Photosäure im metastabilen Zustand bezeichnet und hat eine Struktur, die in Lösung von Sekunden bis Stunden bestehen bleibt. Das bedeutet, dass die pH-Änderung, die durch die Strukturänderung der Photosäure verursacht wird, auch viel länger anhält.

Die Wissenschaftler luden einen Experten für Photosäuredesign und -synthese ein, sich dem Team anzuschließen. Yi Liao vom Florida Institute of Technology war 2015 Pionier der neuen Klasse metastabiler Photosäuren, allerdings für andere Zwecke als DAC. „Wir haben wirklich einen Durchbruch geschafft, nachdem wir diese Photosäure von unserem Mitarbeiter bekommen haben“, sagte Ma. Custelcean stimmte zu. „Da wir über eine Photosäure im metastabilen Zustand verfügten, hatten wir genügend Zeit, das Proton freizusetzen und die Kohlensäure zu bilden. Dann hatte die Kohlensäure Zeit, das CO2 in Wasser freizusetzen. Sobald das passiert, verlässt CO2 die Lösung“, sagte er.

Zusammen mit Ma entwarf und führte der Erstautor Premadasa die Experimente für die Proof-of-Concept-Studie unter Verwendung einer von Liao und Florida Tech-Kollegen Adnan Elgattar synthetisierten Photosäure im metastabilen Zustand durch, mit anschließender spektroskopischer Charakterisierung durch Benjamin Doughty und Vera Bocharova vom ORNL. „Nachdem wir die photochemischen Eigenschaften der Säure selbst ermittelt hatten, bestand unser nächster Schritt darin, ihre Anwendbarkeit für die CO2-Freisetzung mit verschiedenen DAC-Sorptionsmitteln zu testen“, sagte Premadasa. „Wir können chemische Zusammensetzungen sowie Intensitäten und Farben des Lichts leicht manipulieren, um die Photoreaktion für eine effiziente CO2-Freisetzung voranzutreiben.“

Audrey Miles von der University of Notre Dame und Stella Belony von der University of Florida, die zum Zeitpunkt der Studie Studenten des DOE Science Undergraduate Laboratory Internships waren, testeten die Photosäure unter verschiedenen Bedingungen auf ihre CO2-Freisetzungsfähigkeiten. Dann haben Michelle Kidder, Diana Stamberga und Joshua Damron vom ORNL die Menge an CO2 gemessen, die unter diesen verschiedenen Bedingungen freigesetzt wurde. Bei der Entwicklung der lichtaktivierten DAC-Technologie von ORNL bleiben viele Herausforderungen bestehen. Eine besteht darin, die Dynamik zu verstehen, durch die die Photosäure mit dem Aminosäuresorbens einen chemischen Komplex bildet. Ein weiterer Grund ist die Verbesserung der Löslichkeit von Verbindungen in Wasser.

Eine weitere Möglichkeit ist die Optimierung der Absorption von Licht aus dem sichtbaren Spektrum. Darüber hinaus möchten die Wissenschaftler die Zeit zur Regeneration der Photosäure verkürzen und das Verständnis ihrer Langzeitstabilität verbessern. Unabhängig davon ist die Zukunft für metastabile Photosäuren rosig. „Unsere Studie ebnet den Weg für photochemisch gesteuerte Ansätze zur CO2-Freisetzung und Sorptionsregeneration mithilfe von Sonnenlicht“, sagte Premadasa. Der Titel des Papiers lautet „Photochemisch gesteuerte CO2-Freisetzung unter Verwendung einer Photosäure im metastabilen Zustand zur energieeffizienten direkten Luftabscheidung“.

Das geschieht bisher durch Erwärmung der Flüssigkeit, die ab einer bestimmten Temperatur das CO2 wieder freigibt, sodass es eingefangen und eingelagert werden kann, womit das Gas dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt wird. Beim CO2-Einfang aus der Luft kann das Klimagas auch zur Herstellung klimaneutraler Kraftstoffe genutzt werden. Die Erhitzung ist jedoch so energieintensiv, dass sie nicht den Hauch einer Chance hat, wirtschaftlich zu werden.

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