Mit Melamin Kohlendioxid speichern

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Einfaches, billiges Material zur CO2-Abscheidung

Mit Hilfe eines kostengünstigen Polymers namens Melamin – dem Hauptbestandteil von Formica – haben Chemiker der Universität von California in Berkeley und Stanford eine billige, einfache und energieeffiziente Möglichkeit geschaffen, Kohlendioxid aus Schornsteinen abzuscheiden, ein „wichtiges Ziel für die Vereinigten Staaten und andere Länder, die sich um eine Verringerung der Treibhausgasemissionen bemühen“, so die Universitäts-Internetseite.

Kohlendioxid (links in rot und weiß dargestellt) ist das wichtigste Treibhausgas, das die Erde erwärmt, und wird in großen Mengen in den Rauchgasen von Industrie- und Kraftwerken freigesetzt. Eine neue Methode zur Entfernung von CO2 aus diesen Rauchgasen besteht darin, die Emissionen durch ein poröses Material auf der Basis der Chemikalie Melamin (Mitte) zu leiten. DETA, eine im porösen Melamin gebundene Chemikalie, bindet CO2 und entfernt es aus dem Gas, wobei Stickstoff in die Atmosphäre abgegeben wird – Grafik © mit frdl. Genehmigung von Haiyan Mao und Jeffrey Reimer, UC Berkeley, open access

Das in Science Advances veröffentlichte Verfahren zur Synthese des Melaminmaterials könnte möglicherweise angepasst werden, um Emissionen aus Fahrzeugabgasen oder anderen beweglichen Quellen von Kohlendioxid aufzufangen. Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe macht etwa 75 % aller in den USA erzeugten Treibhausgase aus.

Das neue Material ist einfach herzustellen, denn es benötigt hauptsächlich handelsübliches Melaminpulver – das heute etwa 40 Dollar pro Tonne kostet – sowie Formaldehyd und Cyanursäure, eine Chemikalie, die unter anderem zusammen mit Chlor in Schwimmbädern verwendet wird.

„Wir wollten ein Material zur Kohlenstoffabscheidung finden, das aus Quellen stammt, die wirklich billig und leicht zu beschaffen sind. Wir beschlossen, mit Melamin zu beginnen“, sagte Jeffrey Reimer, Professor der Graduiertenschule im Fachbereich Chemie- und Biomolekulartechnik an der University of California, Berkeley, und einer der korrespondierenden Autoren der Studie.

Das so genannte poröse Melamin-Netzwerk bindet Kohlendioxid mit einer Effizienz, die mit den ersten Ergebnissen für ein anderes, relativ neues Material zur Kohlenstoffbindung, metallorganische Gerüste (MOFs), vergleichbar ist. Chemiker der UC Berkeley haben 2015 das erste derartige MOF zur Kohlenstoffabscheidung entwickelt, und nachfolgende Versionen haben sich als noch effizienter bei der Entfernung von Kohlendioxid aus Rauchgasen erwiesen, die beispielsweise aus einem Kohlekraftwerk stammen.

Haiyan Mao, Postdoktorand an der UC Berkeley und Erstautor der Studie, sagte, dass Materialien auf Melaminbasis viel billigere Inhaltsstoffe verwenden, einfacher herzustellen und energieeffizienter sind als die meisten MOFs. Die niedrigen Kosten von porösem Melamin bedeuten, dass das Material in großem Umfang eingesetzt werden könnte.

„In dieser Untersuchung konzentrierten wir uns auf ein kostengünstigeres Materialdesign für die Abscheidung und Speicherung sowie auf die Aufklärung des Wechselwirkungsmechanismus zwischen CO2 und dem Material“, so Mao. „Diese Arbeit schafft eine allgemeine Industrialisierungsmethode zur nachhaltigen CO2-Abscheidung unter Verwendung poröser Netzwerke. Wir hoffen, dass wir in Zukunft einen Aufsatz für die Abscheidung von Autoabgasen entwerfen können, oder vielleicht einen Aufsatz für ein Gebäude oder sogar eine Beschichtung auf der Oberfläche von Möbeln.“

Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen einer Gruppe an der UC Berkeley unter der Leitung von Reimer, einer Gruppe an der Stanford University unter der Leitung von Yi Cui, Direktor des Precourt Institute for Energy, Somorjai Visiting Miller Professor an der UC Berkeley und ehemaliger Postdoktorand an der UC Berkeley, Alexander Pines, Professor an der UC Berkeley Graduate School, und einer Gruppe an der Texas A&M University unter der Leitung von Hong-Cai Zhou. Jing Tang, Postdoktorandin in Stanford und am Stanford Linear Accelerator Center und Gastwissenschaftlerin an der UC Berkeley, ist gemeinsam mit Mao Erstautorin. Reimer ist auch wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lawrence Berkeley National Laboratory.

Kohlenstoffneutralität bis 2050

Die Abschaffung der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist für die Eindämmung des Klimawandels von entscheidender Bedeutung. Eine wichtige Zwischenstrategie besteht darin, die Emissionen von Kohlendioxid – dem wichtigsten Treibhausgas – abzufangen und das Gas unterirdisch zu speichern oder CO2 in verwertbare Produkte umzuwandeln. Das US-Energieministerium hat bereits Projekte im Gesamtwert von 3,18 Milliarden Dollar angekündigt, um fortschrittliche und kommerziell skalierbare Technologien für die Abscheidung, Nutzung und Sequestrierung von Kohlendioxid (CCUS) zu fördern, um das ehrgeizige Ziel einer CO2-Abscheidungseffizienz von 90 % zu erreichen. Das ultimative Ziel der USA sind Netto-Null-Emissionen bis 2050. Die Kohlenstoffabscheidung ist jedoch bei weitem noch nicht wirtschaftlich rentabel. Die derzeit beste Technik besteht darin, Rauchgase durch flüssige Amine zu leiten, die CO2 binden. Dies erfordert jedoch große Energiemengen, um das Kohlendioxid freizusetzen, sobald es an die Amine gebunden ist, damit es konzentriert und unterirdisch gelagert werden kann. Das Amingemisch muss auf 120 bis 150 Grad Celsius (250-300 Grad Fahrenheit) erhitzt werden, um das CO2 zu regenerieren.

Im Gegensatz dazu fängt das poröse Melaminnetzwerk mit DETA und Cyanursäuremodifikation CO2 bei etwa 40 Grad Celsius, also etwas über Raumtemperatur, ein und gibt es bei 80 Grad Celsius, also unterhalb des Siedepunkts von Wasser, wieder ab. Die Energieeinsparungen ergeben sich daraus, dass die Substanz nicht auf hohe Temperaturen erhitzt werden muss.

Das Berkeley/Stanford/Texas-Team konzentrierte sich bei seinen Forschungen auf das weit verbreitete Polymer Melamin, das nicht nur in Formica, sondern auch in preiswertem Geschirr und Besteck, industriellen Beschichtungen und anderen Kunststoffen verwendet wird. Durch die Behandlung von Melaminpulver mit Formaldehyd – die die Forscher in Kilogrammmengen durchführten – entstehen im Melamin nanoskalige Poren, von denen die Forscher annahmen, dass sie CO2 absorbieren würden. Mao sagte, dass Tests bestätigten, dass mit Formaldehyd behandeltes Melamin CO2 in gewissem Maße adsorbiert, die Adsorption jedoch durch Zugabe einer anderen aminhaltigen Chemikalie, DETA (Diethylentriamin), zur Bindung von CO2 deutlich verbessert werden konnte. Sie und ihre Kollegen fanden anschließend heraus, dass die Zugabe von Cyanursäure während der Polymerisationsreaktion die Porengröße drastisch erhöhte und die CO2-Abscheidungseffizienz radikal verbesserte: Nahezu das gesamte Kohlendioxid in einem simulierten Rauchgasgemisch wurde innerhalb von etwa 3 Minuten absorbiert.

Durch die Zugabe von Cyanursäure konnte das Material außerdem immer wieder verwendet werden.

Eine neue Familie von porösen Netzwerken

Mao und ihre Kollegen führten Untersuchungen mit magnetischer Festkörperresonanz (NMR) durch, um zu verstehen, wie Cyanursäure und DETA zusammenwirken, um die Kohlenstoffabscheidung so effizient zu machen. Die Untersuchungen ergaben, dass Cyanursäure starke Wasserstoffbrückenbindungen mit dem Melaminnetzwerk bildet, die zur Stabilisierung von DETA beitragen und verhindern, dass es bei wiederholten Zyklen der Kohlenstoffabscheidung und -regeneration aus den Melaminporen herausgelöst wird.

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