Ein Schwamm für Kohlendioxid

Kohlekraftwerke decken etwa vierzig Prozent des globalen Strombedarfs und bilden eine der größten Quellen des klimaschädlichen Kohlendioxids. Sauberer kann Kohle genutzt werden, wenn sie über mehrere Prozessschritte in ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt wird. Um das Kohlendioxid effizient abzutrennen, entwickelte nun eine internationale Forschergruppe ein neues, extrem poröses Material. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ berichten, könnten kristalline, metallorganische Gerüste – kurz MOF – Kohlendioxid wie ein Schwamm aufnehmen und wiederholt zur Gasreinigung verwenden.

„Diese Materialien haben wegen ihrer Porösität eine ungewöhnlich große Oberfläche“, sagt Ramanathan Vaidhyanathan vom Indian Institute of Science Education and Research in Pune. Die Fläche eines einzigen MOF-Kristalls kann, wenn man ihn auffalten würde, die Größe eines Fußballfelds erreichen. Mit seinen Kollegen aus Kanada, USA und Deutschland stellte Vaidhyanathan ein neues metallorganisches Gerüst her, in dem jeweils ein Nickelatom von zwei organischen Molekülgruppen, den Liganden, umgeben war. In einem nasschemischen Verfahren heizten sie dazu eine Lösung aus Nickelcarbonat mit organischen Säuren wie Pyridincarbonsäure drei Tage lang auf 150 Grad Celsius auf.

Nachdem die Forscher diese Lösung filtriert und getrocknet hatten, erhielten sie einige Gramm ihres extrem porösen Materials. Aus einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlendioxid nahm es selektiv relativ große Mengen des Treibhausgases in seinen nur etwa einen halben Nanometer kleinen Poren auf. Diese Speicherung funktionierte auch bei höheren Drücken von bis zu zehn bar und entsprach damit den Anforderungen an eine großtechnische Nutzung. Einmal mit Kohlendioxid gesättigt, ließen sich die Kristalle bei Normaldruck mit geringem Energieaufwand recyceln, um abermals zur Gasreinigung verwendet werden zu können.

Zur Vorbereitung ihrer Versuche führten die Wissenschaftler aufwendige Simulationsrechnungen durch, die schließlich zu dieser wirkungsvollen Materialkombination aus Nickel und Pyridincarbonsäure führten. Zwar zeigten bereits andere Forschergruppen in früheren Versuchen, dass metallorganische Gerüste zur selektiven Aufnahme von CO₂ geeignet sind. Das neue Material ließ sich jedoch deutlich einfacher herstellen und nach der Nutzung regenerieren. Zudem erwies es sich auch in feuchter Umgebung als deutlich stabiler.

In weiteren Schritten könnte nun ein Produktionsverfahren für große Mengen dieser porösen Kohlendioxidfänger entwickelt werden. Gelingt es, könnte die Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasgemischen oder auch Verbrennungsgasen einfacher und günstiger erfolgen. Dieser etwas klimafreundlichere Weg der Kohlenutzung wird allerdings teurer sein als die heute verbreitete direkte Verbrennung. Ob die Gas- und darauf folgende Stromgewinnung aus Kohle dann noch mit den Kosten erneuerbarer Wind- oder Solarkraftwerke konkurrieren kann, ist heute noch nicht abzusehen.