Die Kohlenstoffabscheidung bzw. die Isolierung und Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre bei industriellen Prozessen wie dem Mischen von Zement oder der Stahlproduktion wird allgemein als Schlüsselkomponente im Kampf gegen den Klimawandel angesehen. Bestehende Technologien zur Kohlenstoffabscheidung, wie etwa die Aminwäsche, sind schwer einsetzbar, da ihr Betrieb viel Energie erfordert und korrosive Verbindungen enthält.
Als vielversprechende Alternative haben Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) Kohlenstoffabscheidungssysteme entwickelt, die in Wasser gelöste Moleküle namens Chinone als Einfangverbindungen verwenden. Eine neue Studie in Naturchemieingenieurwesen liefert entscheidende Einblicke in die Mechanismen der Kohlenstoffabscheidung in diesen sichereren, schonenderen wasserbasierten elektrochemischen Systemen und ebnet den Weg für deren weitere Verfeinerung.
Unter der Leitung der ehemaligen Harvard-Postdoktorandin Kiana Amini, jetzt Assistenzprofessorin an der University of British Columbia, beschreibt die Studie die detaillierte Chemie, wie ein wässriges, Chinon-vermitteltes Kohlenstoffabscheidungssystem funktioniert, und zeigt das Zusammenspiel zweier Arten von Elektrochemie, die dazu beitragen Systemleistung.
Der leitende Autor der Studie ist Michael J. Aziz, Gene and Tracy Sykes Professor für Material- und Energietechnologien am SEAS. Das Labor von Aziz hat zuvor eine Redox-Flow-Batterietechnologie erfunden, die eine ähnliche Chinonchemie verwendet, um Energie für kommerzielle und Netzanwendungen zu speichern.
Chinone sind reichlich vorhandene kleine organische Moleküle, die sowohl in Rohöl als auch in Rhabarber vorkommen und CO umwandeln, einfangen und freisetzen können2 aus der Atmosphäre um ein Vielfaches. Durch Laborexperimente wusste das Harvard-Team, dass Chinone Kohlenstoff auf zwei verschiedene Arten einfangen. Diese beiden Prozesse laufen gleichzeitig ab, aber die Forscher waren sich nicht sicher, welchen Beitrag jeder einzelne zur gesamten Kohlenstoffabscheidung leistet – als ob ihr experimentelles elektrochemisches Gerät eine Blackbox wäre.
Diese Studie öffnet den Rahmen.
„Wenn es uns ernst damit ist, dieses System bestmöglich zu entwickeln, müssen wir die Mechanismen kennen, die zur Erfassung beitragen, und die Mengen … wir hatten noch nie die einzelnen Beiträge dieser Mechanismen gemessen“, sagte Amini.
Eine Art und Weise, wie gelöste Chinone Kohlenstoff einfangen, ist eine Form der direkten Bindung, bei der Chinone eine elektrische Ladung erhalten und eine Reduktionsreaktion durchlaufen, die ihnen eine Affinität zu CO2 verleiht. Der Prozess ermöglicht die Bindung von Chinonen an das CO2 Moleküle, was zu chemischen Komplexen namens Chinon-CO führt2 Addukte.
Der andere Weg ist eine Form des indirekten Einfangens, bei dem die Chinone geladen werden und Protonen verbrauchen, was den pH-Wert der Lösung erhöht. Dies ermöglicht CO2 mit dem nun alkalischen Medium unter Bildung von Bikarbonat- oder Karbonatverbindungen zu reagieren.
Die Forscher entwickelten zwei experimentelle Echtzeitmethoden zur Quantifizierung jedes Mechanismus. Im ersten Schritt verwendeten sie Referenzelektroden, um Unterschiede in der Spannungssignatur zwischen den Chinonen und dem daraus resultierenden Chinon-CO zu messen2 Addukte.
Im zweiten Schritt verwendeten sie Fluoreszenzmikroskopie, um zwischen oxidierten, reduzierten und Adduktchemikalien zu unterscheiden und ihre Konzentrationen mit sehr hoher Zeitauflösung zu quantifizieren. Dies war möglich, weil sie entdeckten, dass die an der Chinon-vermittelten Kohlenstoffeinfangung beteiligten Verbindungen einzigartige Fluoreszenzsignaturen aufweisen.
„Mit diesen Methoden können wir die Beiträge jedes Mechanismus während des Betriebs messen“, sagte Amini. „Auf diese Weise können wir Systeme entwerfen, die auf bestimmte Mechanismen und chemische Spezies zugeschnitten sind.“
Die Forschung fördert das Verständnis wässriger Kohlenstoffabscheidungssysteme auf Chinonbasis und stellt Werkzeuge für die maßgeschneiderte Gestaltung verschiedener industrieller Anwendungen bereit. Auch wenn weiterhin Herausforderungen bestehen, wie z. B. die Sauerstoffempfindlichkeit, die die Leistung beeinträchtigen kann, eröffnen diese Erkenntnisse neue Möglichkeiten für Untersuchungen.
Die Forschung wurde von der National Science Foundation und dem US-Energieministerium unterstützt.
