Bei Raumtemperatur und ohne hohen Druck entstehen MOFs
Japanische Forscher haben einen energieeffizienten Weg zur Umwandlung von CO2 in nützliche Chemikalien gefunden. Bei dieser Methode entstehen aus CO2 als metallorganische Gerüste (MOFs) bezeichnete Strukturen, was auf einen neuen und einfacheren Weg zur Nutzung des Treibhausgases hinweist, um gleichzeitig die globale Erwärmung zu bekämpfen. Die Forschungsarbeiten wurden von Wissenschaftlern des Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto und Kollegen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht.
CO2 symbolisch – Montage © Gerhard Hofmann für Solarify
„Das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzte CO2 in wertvolle Chemikalien und Materialien umzuwandeln, ist ein vielversprechender Ansatz zum Schutz der Umwelt. Da CO2 jedoch ein sehr träges und stabiles Molekül ist, ist es schwierig, es mit herkömmlichen Umwandlungsverfahren zur Reaktion zu bringen“, sagt Satoshi Horike, Chemiker am iCeMS und Leiter der Studie. „Unsere Arbeit zeigt einen einfacheren Ansatz, der bei viel niedrigeren Temperaturen und Drücken durchgeführt werden kann. Dadurch dürften Reaktionen, bei denen CO2 zum Einsatz kommt, einfacher zu realisieren und populärer werden.
Das japanische Team entschied sich für MOFs, weil diese viele Verwendungsmöglichkeiten haben, unter anderem als Biosensoren und Katalysatoren. Da MOFs porös sind und große Mengen Gas speichern können, sind sie außerdem vielversprechend als Speicher für nachhaltigen Wasserstoff.
Lösung = eine Lösung von Piperazin
Zur Durchführung der Reaktion ließen die Forscher CO2 bei einer Temperatur von 25 °C und einem Druck von 0,1 MPa durch eine Lösung mit einem organischen Molekül namens Piperazin (1,4-Diethylendiamin, C4H10N2, organische, heterocyclische Verbindung., weißes, stark hygroskopisches Pulver mit salzigem und bitterem Geschmack) sprudeln, was Chemiker als „Eintopfverfahren“ bezeichnen. Das MOF bildete sich schnell als weißes mikrokristallines Pulver, das gesammelt und getrocknet werden konnte. Die Analyse seiner Struktur mittels Röntgen- und Kernspinresonanzspektroskopie bestätigte, dass die Umwandlung wie geplant stattgefunden hatte.
Die MOFs wiesen eine große Oberfläche auf, obwohl sie zu mehr als 30 Gewichtsprozenten aus CO2 bestanden – Eigenschaften, die sie als Funktionsmaterialien für viele Anwendungen geeignet machen. Die Forscher wollen nun prüfen, wie sie die Reaktion nutzen können, um CO2 direkt aus industriellen Abgasen umzuwandeln, wie sie beispielsweise von Kohle- und Gaskraftwerken freigesetzt werden.
„Die direkte Nutzung von CO2 ist eine Herausforderung, aber sie spart potenziell viel Energie, die für die Abscheidung und Abtrennung des Gases erforderlich ist“, so Horike. „Die Emission von CO2 durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe muss zum Schutz der Umwelt reduziert und reguliert werden. Unsere Methode hier ist ein möglicher Anhaltspunkt, um zur Lösung einiger wichtiger Umweltprobleme beizutragen.“
->Quellen:
- icems.kyoto-u.ac.jp/6312/
- Kentaro Kadota, You-lee Hong, Yusuke Nishiyama, Easan Sivaniah, Daniel Packwood, und Satoshi Horike: One-Pot, Room-Temperature Conversion of CO2 into Porous Metal–Organic Frameworks, in: Journal of the American Chemical Society – DOI: 10.1021/jacs.1c08227