Neues Materialdesign übertrifft Kohlenstoffabscheidung aus nassen Rauchgasen

Im Allgemeinen bezieht sich "Rauchgas" auf jedes Gas, das aus einem Rohr, Auspuff, Schornstein usw. austritt, als Produkt der Verbrennung in einem Kamin, Ofen, Schmelzofen, Boiler, Kessel oder Dampferzeuger. Aber der Begriff wird häufiger verwendet, um Abgase zu beschreiben, die aus den Kaminen von Fabriken und Kraftwerken austreten. So symbolisch sie auch sein mögen, diese Rauchgase enthalten erhebliche Mengen an Kohlendioxid (_CO2), einem wichtigen Treibhausgas, das zur globalen Erwärmung beiträgt.

Eine Möglichkeit, die umweltschädlichen Auswirkungen von Rauchgasen zu mildern, besteht darin, das _CO2 aus ihnen zu entfernen und in geologischen Formationen zu speichern oder zu recyceln. Es gibt in der Tat eine enorme Menge an Forschungsprojekten, die nach neuen Materialien suchen, um _CO2 aus diesen Rauchgasen absondern zu können.

Ein "Schwamm", der nicht vom Wasser angegriffen wird

Metal Organic Frameworks (MOFs) gehören zu den vielversprechendsten dieser Materialien, aber die meisten dieser Materialien erfordern eine Trocknung des "nassen" Rauchgases, was technisch machbar, aber auch sehr teuer ist - und somit kommerziell eher nicht umgesetzt wird.

In einer seltsamen Wendung der Natur - oder der Designchemie - haben sich Materialien, die gut _CO2 abscheiden können, als noch besser bei der Wasserabscheidung erwiesen, was sie bei nassen Rauchgasen wenig nützlich macht. Es scheint, dass in den meisten dieser Materialien _CO2 und Wasser um die gleichen Adsorptionsstellen konkurrieren - um die Bereiche in der Struktur des Materials, die das Zielmolekül tatsächlich einfangen.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern um Berend Smit von der EPFL Valais Wallis ein neues Material entwickelt, das diesen Wettbewerb verhindert, nicht vom Wasser beeinflusst wird und _CO2 aus nassen Rauchgasen effizienter abtrennen kann als selbst kommerzielle Materialien.

Hacking der Wirkstofffindungs-Instrumente

In dem, was Smit "einen Durchbruch für das Computational Materials Design" nennt, haben die Wissenschaftler einen Out-of-the-Box-Ansatz gewählt, um die Schwierigkeiten des Materialdesigns zu überwinden: die Werkzeuge der Wirkstoffforschung.

Wenn Pharmaunternehmen nach einem neuen Medikamentenkandidaten suchen, testen sie zunächst Millionen von Molekülen, um zu sehen, welche an ein Zielprotein binden, das mit der betreffenden Krankheit in Verbindung steht. Diejenigen, die dies tun, werden dann verglichen, um festzustellen, welche strukturellen Eigenschaften sie gemeinsam haben. Ein gemeinsames Motiv wird etabliert, das die Grundlage für die Entwicklung und Synthese aktueller Wirkstoffmoleküle bildet.

Mit diesem Ansatz haben die EPFL-Wissenschaftler 325'000 Materialien computergeneriert, deren gemeinsames Motiv die Fähigkeit ist _CO2 zu binden. Alle Materialien gehören zur Familie der MOFs - beliebte und vielseitige Materialien, in deren Erforschung Smits seit Jahren federführend ist.

Um die Auswahl einzugrenzen, suchten die Wissenschaftler dann nach gemeinsamen strukturellen Motiven unter den MOFs, die _CO2 sehr gut binden können, aber nicht Wasser. Diese Unterklasse wurde dann durch Hinzufügen von Parametern der Selektivität und Effizienz weiter eingegrenzt, bis sich der MOF-Generationsalgorithmus der Forscher schließlich für 35 Materialien entschied, die eine bessere _{CO2-Abscheidefähigkeit} aus nassem Rauchgas aufweisen als aktuell im Handel erhältliche Materialien.

Vom Computer zu aktuellen Materialien

"Was diese Arbeit auszeichnet, ist, dass wir auch diese Materialien synthetisieren konnten", sagt Smit. "Das ermöglichte es uns, mit unseren Kollegen zusammenzuarbeiten, um zu zeigen, dass die MOFs tatsächlich _CO2 und nicht Wasser absorbieren, sie tatsächlich auf CO2-Abscheidung testen und mit bestehenden kommerziellen Materialien vergleichen."

Dieser Teil der Studie wurde in Zusammenarbeit mit der University of California Berkeley, der University of Ottawa, der Heriot-Watt University und der Universidad de Granada durchgeführt.

"Die in Berkeley durchgeführten Experimente haben gezeigt, dass alle unsere Vorhersagen richtig waren", sagt Smit. "Die Gruppe in Heriot-Watt zeigte, dass unsere entwickelten Materialien Kohlendioxid aus nassen Rauchgasen besser abtrennen können als kommerzielle Materialien.

Alle Materialien finden Sie auf dem MARVEL's Materials Cloud DOI: 10.24435/materialscloud:2018.0016/v2