Elektronen statt Hitze: MIT-Team testet neue Moleküle für CO2-Capture

CO2 einfangen mit Strom statt Hitze: Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neue Methode zur elektrochemischen CO2-Abscheidung entwickelt, die effizienter und skalierbarer sein könnte als heute übliche Verfahren. Ihr Ansatz basiert auf einer bislang kaum erforschten Molekülklasse und könnte langfristig dazu beitragen, Carbon Capture mit erneuerbaren Energien zu koppeln.

Das Problem mit Aminen

Der aktuelle Industriestandard zur CO2-Abscheidung ist das sogenannte Amin-Scrubbing. Dabei binden Aminlösungen CO2 aus Abgasströmen, bevor das Gas anschließend durch Erhitzen wieder freigesetzt und konzentriert wird. Das Verfahren funktioniert, hat aber einen gravierenden Nachteil: Es verschlingt enorme Mengen Wärmeenergie. Skalierung ist teuer, und der CO2-Fußabdruck des Prozesses selbst bleibt erheblich, solange fossile Energie zur Erhitzung genutzt wird.

Forschende weltweit suchen deshalb nach Alternativen. Eine davon ist die elektrochemisch vermittelte CO2-Abscheidung, kurz EMCC. Dabei treibt Strom die Trennung des Gases an, nicht Wärme. Theoretisch lässt sich ein solches System direkt mit Solar- oder Windstrom betreiben und so klimaneutral gestalten.

NHIs als neuer Ansatz

EMCC-Systeme haben bislang ein eigenes Problem: Die meisten nutzen Sorptionsmittel, die unter stark reduzierenden Bedingungen arbeiten. Dabei entstehen unerwünschte Nebenreaktionen mit Sauerstoff, die die Effizienz senken und die Lebensdauer der Anlage verkürzen.

Das MIT-Team um Professorin Betar Gallant und den Doktoranden Fang-Yu Kuo vom Department of Chemical Engineering untersuchte nun eine neue Klasse von Sorptionsmitteln: N-heterocyclische Imine, kurz NHIs. Diese Moleküle sind chemisch flexibel modifizierbar, was eine gezielte Abstimmung ihrer Basizität erlaubt. Entscheidend: NHIs ermöglichen eine elektrochemisch steuerbare CO2-Abscheidung, ohne dass hochreduzierende Potenziale nötig sind, die Nebenreaktionen auslösen würden.

„Unsere Arbeit überträgt NHIs erstmals in den EMCC-Anwendungsbereich und zeigt, dass NHI-basierte Sorptionsmittel elektrochemisch für die CO2-Trennung moduliert werden können„, erklärt Kuo.

Zwei CO2-Moleküle pro Elektron

Im Zentrum der Studie steht eine sogenannte Bis(NHI)-Struktur, die theoretisch zwei CO2-Moleküle pro übertragenem Elektron binden kann. Das wäre eine bedeutende Verbesserung der Elektroneneffizienz gegenüber bisherigen EMCC-Systemen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine weitere molekulare Optimierung der Bis(NHI)-Verbindungen deren CO2-Bindungsaffinität stärken und den Betrieb in einem breiteren Spektrum von Elektrolytumgebungen ermöglichen könnte, was mehr Flexibilität bei der Systemgestaltung bedeutet.

Die Forschungsgruppe veröffentlichte ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Energy, finanziert mit Unterstützung des MIT Climate and Sustainability Consortium (MCSC).

Noch ein langer Weg bis zur industriellen Anwendung

Der Ansatz ist vielversprechend, aber noch früh in der Entwicklung. Ein zentraler nächster Schritt ist die genaue Untersuchung der Degradationsmechanismen des Bis(NHI)-Radikalkations. Wie schnell baut sich das Molekül unter realen Betriebsbedingungen ab? Welche strukturellen Modifikationen verlängern die Lebensdauer? Ohne belastbare Antworten auf diese Fragen bleibt der Weg zur industriellen Anwendung weit.

Dennoch zeigt die Studie, dass gezielte molekulare Feinarbeit große Auswirkungen auf die Praxistauglichkeit von Kohlenstoffabscheidungstechnologien haben kann. Wenn es gelingt, NHI-basierte Systeme dauerhaft stabil und skalierbar zu machen, könnten sie einen erneuerbaren, wärmefreien Weg zur CO2-Abscheidung eröffnen, der mit den Anforderungen einer dekarbonisierten Industrie kompatibel ist.

via MIT