Das Team von Jiang Zhongyi und He Guangwei an der Tianjin-Universität hat erfolgreich eine neuartige vollorganische Mixed-Matrix-Membran entwickelt, die den Engpass überwindet, dass Membrantrennleistung und Verarbeitbarkeit schwer miteinander zu vereinbaren sind, und einen neuen Materialweg für die energiearme und kostengünstige Kohlenstoffabscheidung aus Industriegasen eröffnet. Diese Ergebnisse wurden am 7. Oktober online in der internationalen Spitzenzeitschrift „Nature Energy" veröffentlicht.
Für die Verwirklichung des Ziels der „Doppelkohlenstoffneutralität" ist die Kohlenstoffabscheidung ein wichtiger Baustein. Unter „Kohlenstoffabscheidung" versteht man das Auffangen des in die Atmosphäre freigesetzten Kohlendioxids, das nach der Verdichtung in erschöpften Ölfeldern oder anderen sicheren unterirdischen Stätten eingelagert wird.
Die von Kraftwerken, Zementwerken, Stahlwerken und anderen emittierten Industriegase weisen eine geringe Kohlendioxidkonzentration, aber eine sehr große Gesamtmenge auf. Um sie „herauszufiltern", sind herkömmliche Verfahren energieintensiv und teuer. Die Membrantrenntechnik ist grün, kohlenstoffarm und energiesparend und gilt als eine äußerst vielversprechende Technologie zur Kohlenstoffabscheidung.
Schematische Darstellung einer vollorganischen Mixed-Matrix-Membran aus einkristallinen kovalenten organischen Gerüststrukturen (Foto: von den Befragten zur Verfügung gestellt)
Die Membran ist das „Sieb" der Membrantrenntechnik. Die Kohlenstoffabscheidung aus Industrieabgasen erfordert Membranen, die gleichzeitig hohe Permeabilität, hohe Selektivität, Langzeitstabilität und einfache Skalierbarkeit bieten. Mixed-Matrix-Membranen vereinen die Verarbeitbarkeit von Polymeren mit der hocheffizienten Transportfähigkeit poröser Füllstoffe und nehmen eine wichtige Stellung in der energiearmen Kohlenstoffabscheidung ein. Jedoch sind die beiden Materialklassen von grundlegend unterschiedlicher Natur, was zu Kompatibilitätsproblemen führt. Herkömmliche Ansätze versuchen, die beiden Materialien durch verstärkte Wechselwirkungskräfte „fester zusammenzukleben", doch der Effekt ist begrenzt: Die Trennleistung wird weiterhin vom Polymer dominiert, und die porösen Füllstoffe können kaum zur Wirkung kommen.
Angesichts dessen schlug das Forschungsteam, inspiriert von der Struktur von Zellmembranen, eine Strategie der „schwachen Grenzflächenkraft-Einbettung" vor. Dabei werden einkristalline kovalente organische Gerüststrukturen (COF) mit regelmäßig geordneten Porenkanälen mit Polymeren kombiniert, um eine vollorganische Mixed-Matrix-Membran herzustellen. Durch die Abstimmung der Wechselwirkungen zwischen „Füllstoff—Polymer" und „Füllstoff—Füllstoff" wird erreicht, dass sich die COF mit hoher Füllstoffbeladung gleichmäßig in die Membran „einbetten" und beim molekularen Transport tatsächlich die „Hauptrolle spielen", während die Flexibilität und die Lösungsverarbeitbarkeit der Membran erhalten bleiben und superschnelle Transportkanäle für Kohlendioxid aufgebaut werden.
Schematische Darstellung der Membranmorphologie und Mikrostruktur (Foto: von den Befragten zur Verfügung gestellt)
In Tests mit simulierten Rauchgasgemischen erzielte die vom Team hergestellte vollorganische Mixed-Matrix-Membran eine um Größenordnungen verbesserte Kohlendioxid-Permeabilität, übertraf den in der Literatur dokumentierten Rekordwert und erreichte etwa 70 % des theoretischen Werts, der für eine reine COF-Membran modellhaft vorhergesagt wurde. Die Membran zeigte zudem eine gute Langzeitstabilität und blieb unter Testbedingungen mit Feuchtigkeit, Schwefeloxiden und Stickoxiden leistungsstabil. Eine erste technisch-ökonomische Analyse ergab, dass die Kosten für die Kohlenstoffabscheidung unter den festgelegten Verfahrens- und Kostenbedingungen etwa 38 US-Dollar pro Tonne Kohlendioxid betragen.
„Die schwierige Aufgabe der industriellen Kohlenstoffreduzierung in eine wissenschaftliche Fragestellung hochwertiger Membranmaterialien zu verwandeln, ist die Richtung unserer langfristigen Forschung", sagte Professor Jiang Zhongyi, korrespondierender Autor der Arbeit. Diese Ergebnisse böten neue Denkansätze für die Entwicklung von Membranmaterialien, die Leistung, Stabilität und Verarbeitbarkeit gleichermaßen berücksichtigen, und könnten in der Kohlenstoffabscheidung aus Rauchgasen in Branchen wie Elektrizität, Zement und Stahl Anwendung finden, wodurch die Membrantechnologie zur Kohlenstoffabscheidung in Richtung industrieller Anwendung vorangetrieben werde.