Chemici van de Universiteit van Bayreuth hebben een materiaal ontwikkeld dat een belangrijke bijdrage zou kunnen leveren aan klimaatbescherming en duurzame industriële productie. Met dit materiaal, het broeikasgas kooldioxide (CO₂) kan specifiek worden gescheiden van industriële afvalgassen, natuurlijk gas, of biogas, en daardoor beschikbaar voor recycling. Het scheidingsproces is zowel energiezuinig als kosteneffectief. In het journaal Celrapporten Fysische Wetenschap de onderzoekers presenteren de structuur en functie van het materiaal.

De Green Deal die de Europese Commissie in 2019 presenteerde, roept op om de netto-uitstoot van broeikasgassen binnen de EU in 2050 tot nul terug te brengen. Dit vraagt ​​om innovatieve processen die CO kunnen scheiden en vasthouden ₂ uit afvalgassen en andere gasmengsels, zodat het niet in de atmosfeer terechtkomt. Het in Bayreuth ontwikkelde materiaal heeft één fundamenteel voordeel ten opzichte van eerdere scheidingsprocessen:het is in staat om CO . volledig te verwijderen ₂ uit gasmengsels zonder chemisch bindende CO ₂ .

Deze gasmengsels kunnen afgassen zijn van industriële installaties, maar ook aardgas of biogas. In al deze gevallen CO ₂ accumuleert in de holtes van het materiaal uitsluitend als gevolg van fysieke interactie. Vanaf daar, het kan worden vrijgegeven zonder veel energie te verbruiken, weer beschikbaar worden gemaakt als grondstof voor industriële productie. Vandaar, het scheidingsproces werkt, chemisch gesproken, volgens het principe van fysieke adsorptie. Als een ruime opslagtank, het nieuwe materiaal kan op een energiezuinige manier gevuld en ontdaan worden van kooldioxide. In de Bayreuth-laboratoria, het is zo ontworpen dat alleen CO . wordt afgescheiden ₂ en geen ander gas uit de meest uiteenlopende gasmengsels.

"Ons onderzoeksteam is erin geslaagd een materiaal te ontwerpen dat twee taken tegelijk vervult. Enerzijds de fysieke interacties met CO ₂ sterk genoeg zijn om dit broeikasgas uit een gasmengsel vrij te maken en vast te houden. Anderzijds, echter, ze zijn zwak genoeg om CO . vrij te laten ₂ uit het materiaal met slechts een kleine hoeveelheid energie, " zegt Martin Rieß M.Sc., eerste auteur van de nieuwe publicatie en promovendus bij de onderzoeksgroep Anorganische Chemie I van de Universiteit van Bayreuth.

Het nieuwe materiaal is een anorganisch-organische hybride. De chemische basis zijn kleimineralen bestaande uit honderden individuele glasplaatjes. Deze zijn elk slechts één nanometer dik, en precies boven elkaar gerangschikt. Tussen de afzonderlijke glasplaten bevinden zich organische moleculen die als afstandhouders fungeren. Hun vorm en chemische eigenschappen zijn zo gekozen dat de gecreëerde porieruimten optimaal zijn afgestemd om CO . te accumuleren ₂ . Alleen kooldioxidemoleculen kunnen in het poriënsysteem van het materiaal doordringen en daar worden vastgehouden. In tegenstelling tot, methaan, stikstof, en andere uitlaatgascomponenten moeten vanwege de grootte van hun moleculen buiten blijven. De onderzoekers hebben het zogenaamde moleculaire zeefeffect gebruikt om de selectiviteit van het materiaal voor CO . te vergroten ₂ . Momenteel werken ze aan de ontwikkeling van een membraansysteem op basis van kleimineralen, ontworpen om de continue, selectief, en energiezuinige scheiding van CO ₂ uit gasmengsels.

De ontwikkeling van een hybride materiaal op maat voor de scheiding en levering van CO ₂ werd mogelijk gemaakt dankzij een speciaal meetsysteem dat in de Bayreuth-laboratoria is opgesteld en waarmee de hoeveelheden geadsorbeerde gassen en de selectiviteit van het adsorberende materiaal nauwkeurig kunnen worden bepaald. Hierdoor konden industriële processen realistisch worden gereproduceerd. "Alle criteria die relevant zijn voor de evaluatie van industriële CO ₂ scheidingsprocessen zijn volledig vervuld door ons hybride materiaal. Het kan kosteneffectief worden geproduceerd, en zal een belangrijke bijdrage leveren aan het terugdringen van de industriële uitstoot van kooldioxide, maar ook voor de verwerking van biogas en zuur aardgas, " zegt Rieß.