CO₂-Abscheidung bei niedriger Temperatur: Neues Material gibt Klimagas schon bei 60 Grad frei

CO₂-Abscheidung gilt als wichtiger Baustein im Klimaschutz. Doch viele Verfahren scheitern im Alltag an einem entscheidenden Punkt: Das eingefangene CO₂ wieder aus dem Material zu lösen, kostet viel Energie – und damit viel Geld. Hier entscheidet sich, ob die Technik wirklich großflächig eingesetzt werden kann. Eine neue Studie zeigt nun, dass dieser teure Schritt deutlich einfacher werden könnte.

Forscher der Chiba University haben ein Kohlenstoffmaterial entwickelt, das CO₂ bereits bei deutlich niedrigeren Temperaturen wieder freigibt. Statt wie bisher oft über 100 Grad Celsius reichen in einem Fall weniger als 60 Grad. Das könnte es ermöglichen, vorhandene Abwärme aus Industrieprozessen zu nutzen – und die Kosten der CO₂-Abscheidung spürbar zu senken.

Material setzt CO₂ überraschend früh frei

Im Kern geht es um ein bekanntes Problem: CO₂ lässt sich technisch gut einfangen. Schwieriger ist es, das Gas wieder aus dem Material zu lösen, damit es erneut verwendet werden kann. Dieser Schritt bestimmt den Energieverbrauch vieler Anlagen.

Die Studie zeigt nun eine neue Lösung. Entscheidend ist die Struktur des Materials. Die Forscher haben Kohlenstoff so verändert, dass Stickstoffatome gezielt nebeneinander sitzen. Diese Anordnung verändert, wie CO₂ gebunden und wieder freigesetzt wird. „Leistungsbewertungen zeigten, dass bei Materialien mit benachbarten NH₂-Gruppen der Großteil des gebundenen CO₂ bei Temperaturen unter 60 Grad Celsius freigesetzt wird“, erklärt Studienleiter Yasuhiro Yamada.

CO₂-Abscheidung bei niedriger Temperatur senkt Energiebedarf deutlich

Der Unterschied zu bisherigen Verfahren ist erheblich. In vielen Anlagen muss das Material stark erhitzt werden, damit sich CO₂ wieder löst. Das treibt den Energiebedarf und die Kosten nach oben. Bei dem neuen Verfahren wird CO₂ bereits bei Temperaturen unter 60 Grad Celsius freigesetzt, während herkömmliche Verfahren oft mehr als 100 Grad Celsius benötigen.

Der Energieaufwand sinkt dadurch spürbar. Viele Industrieanlagen produzieren ohnehin Abwärme in diesem Bereich. Diese vorhandene Wärme könnte ausreichen, um das CO₂ wieder freizusetzen.

Drei Varianten zeigen klare Unterschiede

Die Forscher entwickelten drei Varianten des Materials. Sie unterscheiden sich in der Art der Stickstoffgruppen. Diese kleinen Unterschiede entscheiden über die Leistung.

• Aminogruppen (NH₂): besonders effizient bei Aufnahme und Freisetzung
• Pyrrolischer Stickstoff: ebenfalls wirksam, möglicherweise stabiler
• Pyridinischer Stickstoff: kaum Vorteile bei der CO₂-Aufnahme

Die beste Variante erreichte eine Selektivität von 76 Prozent. Das bedeutet: Die Stickstoffatome sitzen größtenteils genau dort, wo sie wirken sollen. Eine zweite Variante kam sogar auf 82 Prozent, zeigte aber andere Eigenschaften bei der Freisetzung.

Material nimmt deutlich mehr CO₂ auf

Neben der Temperatur zählt auch die Menge. Hier zeigen die Daten klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien.

• Bestes Material: 41,6 Mikromol CO₂ pro Gramm
• Vergleichsmaterial: 16,9 Mikromol pro Gramm
• Das entspricht etwa dem 2,5-Fachen

Auch unter realistischeren Bedingungen bleibt der Effekt bestehen. In Luft mit sehr niedriger CO₂-Konzentration setzte das Material 32,6 Mikromol pro Gramm frei. Das Vergleichsmaterial kam nur auf 8,7 Mikromol.

Warum die Struktur entscheidend ist

Die Leistung hängt nicht nur davon ab, dass Stickstoff im Material enthalten ist. Entscheidend ist die genaue Anordnung. Zwei benachbarte NH₂-Gruppen wirken wie eine Art Doppel-Andockstelle. CO₂ wird dabei an zwei Punkten gebunden. Das sorgt für eine stabile Verbindung, die sich gleichzeitig leichter wieder lösen lässt. Dieser Effekt senkt den Energiebedarf.

Die Forscher konnten diese Struktur erstmals gezielt herstellen. Bisher entstanden solche Anordnungen eher zufällig. Das erschwerte es, die besten Varianten zu identifizieren.

Stabilität bleibt ein wichtiger Faktor

Für den Einsatz im Alltag zählt nicht nur die Effizienz, sondern auch die Haltbarkeit. Auch dazu liefert die Studie Hinweise. Nach Kontakt mit heißem Wasser sank die Leistung:

• NH₂-Variante: rund 21,6 Prozent weniger CO₂-Freisetzung
• Pyrrolische Variante: rund 38,5 Prozent weniger

Das zeigt: Feuchtigkeit beeinflusst die Materialien. Gleichzeitig bleibt die NH₂-Variante stabiler als die Alternative.

CO₂-Abscheidung funktioniert sogar in normaler Luft

Ein weiterer wichtiger Punkt: Das Material funktioniert nicht nur unter Laborbedingungen mit konzentriertem CO₂. Es kann auch CO₂ aus normaler Luft aufnehmen. Das ist relevant, weil die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sehr niedrig ist. Trotzdem zeigten die Materialien messbare Effekte. Das spricht dafür, dass sie auch außerhalb idealer Bedingungen arbeiten können.

Die Forscher bezeichnen ihre Entwicklung als „Viciazites“. Gemeint sind Kohlenstoffmaterialien mit gezielt angeordneten Stickstoffgruppen. Wichtiger als der Name ist die Methode. Die Struktur lässt sich gezielt steuern. Damit können Materialien künftig genau für bestimmte Anwendungen entwickelt werden.

Kurz zusammengefasst:

• Das neue Kohlenstoffmaterial aus der Studie der Chiba University setzt gebundenes CO₂ schon bei unter 60 Grad Celsius frei, während viele bisherige Verfahren dafür mehr als 100 Grad brauchen.
• Entscheidend ist die genaue Anordnung der Stickstoffgruppen im Material: Benachbarte NH₂-Gruppen arbeiteten am besten, nahmen mehr CO₂ auf und gaben es leichter wieder ab als das Vergleichsmaterial.
• Für die Praxis ist das wichtig, weil sich so industrielle Abwärme besser nutzen ließe und die CO₂-Abscheidung günstiger werden könnte, auch wenn Feuchtigkeit die Leistung noch mindert.

Übrigens: Während neue Materialien helfen sollen, CO₂ aus der Luft zu holen, zeigen uralte Eisproben aus der Antarktis, dass das Erdklima schon vor Millionen Jahren von weit mehr als nur diesem einen Gas beeinflusst wurde. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Illustration: Prof. Yasuhiro Yamada, Chiba University, Japan, erstellt mit Gemini Pro