Forscher der Universität von Kalifornien haben dieses Material namens COF-999 entwickelt. Seine Fähigkeit zur Adsorption von CO2 ist außergewöhnlich, und gleichzeitig ist es stabil und langlebig.
Das neue poröse Material zur CO2-Abscheidung, genannt kovalente organische Struktur (COF), verfügt über hexagonale Kanäle, die mit Polyaminen dekoriert sind, welche CO2-Moleküle (blaue und orange Kugeln) bei Konzentrationen, wie sie in der Umgebungsluft vorkommen, effektiv binden.
Bild: Chaoyang Zhao
Kohlendioxid ist einer der Hauptverursacher der globalen Erwärmung. Auch wenn die Reduzierung der Emissionen entscheidend ist, ist das Entfernen dieses Gases aus der Atmosphäre mittlerweile unverzichtbar geworden.
Die herkömmlichen Materialien, die zur CO2-Abscheidung verwendet werden, wie die sogenannten MOFs (Metal-Organic Frameworks), erweisen sich als vielversprechend. Ihre Langlebigkeit ist jedoch nach mehreren Regenerationszyklen begrenzt, was ihre industrielle Effizienz beeinträchtigt.
COF-999 hingegen basiert auf starken kovalenten Bindungen (Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Bindungen), was es robuster macht. Diese Bindungen sind bekannt für ihre hohe thermische und chemische Beständigkeit.
Das Material funktioniert, indem es CO2 in seinen Poren einfängt. Es kann etwa 400 Teile pro Million CO2 in weniger als zwei Stunden einfangen. Darüber hinaus erfordert seine Regeneration weniger Energie als bei ähnlichen Materialien.
Künstliche Intelligenz könnte diese Technologie weiter verbessern, indem sie die Struktur von COF-999 optimiert. Dieses Material könnte in Zukunft in großem Umfang in CO2-Direktabscheidungsanlagen eingesetzt werden.
Auch wenn wirtschaftliche Herausforderungen bestehen bleiben, schätzt das Forschungsteam, dass dieses neue Material einen wichtigen Fortschritt im Kampf gegen die globale Erwärmung darstellen könnte.
Was ist ein Metal-Organic Framework (MOF)?
Ein Metal-Organic Framework (MOF) ist ein hybrides poröses Material, das aus metallischen Knotenpunkten besteht, die durch organische Bindungen verbunden sind. Diese Struktur schafft Hohlräume, die spezifische Moleküle, wie Kohlendioxid, einfangen und speichern können. MOFs werden aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche und chemischen Flexibilität häufig verwendet.
MOFs sind besonders effektiv bei der Gaseinscheidung, da sie Moleküle in ihren Poren adsorbieren können. Das bedeutet, dass sich die Gase an der inneren Oberfläche des Materials anlagern, ohne eine wesentliche chemische Reaktion einzugehen.
Was ist ein Covalent-Organic Framework (COF) und wie hilft er bei der CO2-Abscheidung?
Covalent-Organic Frameworks (COF) sind kristalline poröse Strukturen, die durch starke Bindungen zwischen Kohlenstoff- und Stickstoffatomen entstehen. Diese Bindungen verleihen ihnen eine hohe chemische und thermische Stabilität, die erforderlich ist, um extremen Bedingungen wie Feuchtigkeit oder Hitze standzuhalten.
Ihre innere Struktur ist so konzipiert, dass sie die verfügbare Oberfläche maximiert, um Gase zu absorbieren. Im Fall von COF-999 sind die Poren mit Aminen ausgekleidet, Verbindungen, die spezifisch mit CO2 interagieren und das Gas aus der Umgebungsluft effektiv einfangen.
Im Vergleich zu anderen Abscheidematerialien hat ein COF den Vorteil, dass es weniger Energie für die Regeneration benötigt und eine höhere Langlebigkeit bietet. Das macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für großflächige industrielle Anwendungen im Kampf gegen die globale Erwärmung.
Die kristalline Struktur der COFs bietet eine regelmäßige Anordnung mikroskopischer Poren, wodurch die verfügbare Oberfläche für die Gasadsorption, beispielsweise von CO2, maximiert wird. Diese präzise Architektur ermöglicht eine effektivere und selektivere CO2-Abscheidung.
Durch die Kontrolle der Größe und Form der Poren in COFs ist es möglich, sie für spezifische Anwendungen zu optimieren, wie zum Beispiel die CO2-Abscheidung aus der Luft. Das macht sie zu einem anpassungsfähigen und vielseitigen Material, ideal für verschiedene industrielle Bedingungen.