Wasserdampf ist für viele Materialien zur CO2-Abscheidung ein Problem, weil Wasser die Poren besetzt, in denen eigentlich Kohlendioxid gebunden werden soll. Bei einem neuen Material kehrt sich dieser Effekt teilweise um. CO2 aus Abgasen filtern funktioniert dort auch in stark feuchten Gasströmen, weil Wasser und Kohlendioxid unterschiedliche Bereiche derselben Poren bevorzugen. In Tests blieb der Fänger über Dutzende Aufnahme- und Freisetzungszyklen funktionsfähig.
Industrieabgase bestehen nicht aus reinem Kohlendioxid. Neben Stickstoff, Sauerstoff und Spuren anderer Stoffe enthalten sie häufig erhebliche Mengen Wasserdampf. Genau das erschwert die technische Abscheidung. Ein poröses Material kann im trockenen Labor eine hohe CO2-Kapazität erreichen und unter realistischen feuchten Bedingungen deutlich schlechter funktionieren, wenn Wasser seine aktiven Oberflächen blockiert. Technische Anlagen müssen Gas deshalb teilweise vorbehandeln oder zusätzliche Energie aufwenden. Forscher der Oregon State University haben nun ein metallorganisches Gerüst entwickelt, das Wasser und Kohlendioxid räumlich unterschiedlich behandelt. Das Material mit der Bezeichnung BVR-X besitzt extrem kleine Poren und enthält Vanadiumzentren, die auf Feuchtigkeit chemisch reagieren. Die Reaktion verändert das Gerüst reversibel, ohne dass die Bereiche verschwinden, in denen CO2 bevorzugt gebunden wird.
Metallorganische Gerüstwerke bestehen aus Metallionen oder Metallclustern, die durch organische Moleküle zu regelmäßig wiederholten Strukturen verbunden sind. Dadurch entstehen Hohlräume im Nanometerbereich mit sehr großer innerer Oberfläche. Die chemische Zusammensetzung lässt sich so anpassen, dass bestimmte Gase besonders stark adsorbiert werden. Beim neuen Material ist die entscheidende Eigenschaft eine Art räumliche Arbeitsteilung. Wasser bindet an Vanadiumzentren und bildet dort Hydroxidgruppen, während CO2 bevorzugt in anderen, von Pyrazin geprägten Bereichen der Poren gehalten wird. Die Originalmeldung der Oregon State University beschreibt diesen Effekt ausdrücklich als Vorteil unter Bedingungen, die realen industriellen Gasströmen näherkommen.
Adsorbentien funktionieren nur, wenn Gasmoleküle Zugang zu ihren inneren Oberflächen erhalten. Wassermoleküle sind klein und besitzen eine starke Polarität. Viele poröse Materialien ziehen sie deshalb besonders stark an. Bei hoher Luftfeuchtigkeit können die Poren so mit Wasser belegt werden, dass weniger Plätze für Kohlendioxid verbleiben. Das Problem ist für direkte Luftabscheidung und für Abgasbehandlung unterschiedlich stark, tritt aber in beiden Bereichen auf. Ein bestehender Beitrag über ein COF zur direkten CO2-Abscheidung aus Umgebungsluft zeigt, dass Wasserstabilität bereits bei anderen Gerüstmaterialien eine zentrale Entwicklungsgröße ist. BVR-X geht einen anderen Weg. Statt Feuchtigkeit nur fernzuhalten, integriert das Material die Wasseraufnahme in seinen Arbeitsmechanismus.
Unter feuchten Bedingungen bindet Wasser an den Vanadiumzentren des Gerüsts. Dabei verändert sich die Oxidationsstufe des Vanadiums reversibel und das Material geht in eine eng verwandte Struktur über. Kohlendioxid wird währenddessen vor allem physikalisch in den pyrazinreichen Bereichen festgehalten. Diese räumliche Trennung reduziert die direkte Konkurrenz beider Moleküle. Nach den veröffentlichten Daten erreichte das Material in einem feuchten Gasstrom mit vier Volumenprozent CO2 eine dynamische Kapazität von rund 2,04 Millimol pro Gramm. Die Konzentration ist für bestimmte Abgase aus Erdgasverbrennung relevant, bei denen Kohlendioxid nur einen kleinen Anteil des Gasstroms ausmacht. Gerade dort ist eine selektive Trennung schwierig, weil sehr viel anderes Gas und Wasser verarbeitet werden muss.
Ein Adsorbens muss nicht nur Kohlendioxid aufnehmen, sondern anschließend regeneriert werden können. Sonst würde jede Filtercharge nach einmaliger Verwendung entsorgt. In den Experimenten wurde BVR-X wiederholt zwischen Aufnahme und Freisetzung geschaltet. Die Forscher berichten von stabiler Leistung über bis zu 50 Zyklen und einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber starker Feuchtigkeit und Dampf. Das ist für einen Materialnachweis relevant, aber noch deutlich weniger als die Zahl von Zyklen, die ein industrieller Prozess über Jahre erreichen würde. Ebenso entscheidend sind Druckverlust, Herstellungskosten, Formgebung und mechanische Stabilität. Ein feines Pulver kann im Labor hervorragend adsorbieren, muss für eine Anlage aber häufig zu Pellets, Beschichtungen oder strukturierten Kontaktkörpern verarbeitet werden. Dabei darf die innere Porenstruktur nicht verloren gehen.
Bei der direkten Luftabscheidung liegt die CO2-Konzentration nur bei rund 0,04 Prozent. Abgase enthalten je nach Prozess ein Vielfaches davon, gleichzeitig aber hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und weitere Bestandteile. Das macht die Trennung energetisch grundsätzlich günstiger als aus Umgebungsluft, stellt Materialien aber vor andere Belastungen. Der neue Fänger wurde gezielt in einem verdünnten Gasstrom mit vier Prozent Kohlendioxid getestet. Solche Bedingungen liegen näher an bestimmten Verbrennungsabgasen als klassische Experimente mit konzentriertem CO2. In Deutschland werden parallel andere Wege zur Behandlung industrieller Emissionen erprobt. Das Karlsruher Institut für Technologie testet etwa ein Kreislaufsystem für CO2 aus Industrieabgasen, das das abgetrennte Gas anschließend zu festem Kohlenstoff umwandeln soll.
Die Forschungsgruppe hat nach Angaben der Oregon State University eine Patentanmeldung für das Material eingereicht. Das zeigt ein Interesse an technischer Weiterentwicklung, ist aber noch kein Nachweis für industrielle Wirtschaftlichkeit. Metallorganische Gerüste können aus vergleichsweise aufwendigen Ausgangsstoffen bestehen, und ihre Herstellung muss für große Mengen kostengünstig sowie reproduzierbar sein. Zusätzlich muss die Regeneration wenig Energie benötigen. Ein Adsorbens mit hoher Kapazität kann im Gesamtprozess trotzdem ineffizient sein, wenn das gebundene CO2 nur unter hohem Energieaufwand wieder freigesetzt wird. Für eine vollständige Bewertung sind deshalb Wärmemengen, Zyklusdauer, Druck, Alterung und Verhalten gegenüber typischen Abgasverunreinigungen relevant. Die bisher veröffentlichten Ergebnisse konzentrieren sich vor allem auf den neuartigen Umgang mit Wasser in den Poren.
Genau darin liegt der wissenschaftliche Reiz von BVR-X. Klassische Materialentwicklung versucht häufig, Wasser von den aktiven Zentren fernzuhalten. Das neue Gerüst nutzt dagegen eine reversible Reaktion mit Wasser, um unterschiedliche Adsorptionsbereiche zu erzeugen. Die zugrunde liegende Studie erschien in Angewandte Chemie und wird von der Chemieabteilung der Oregon State University als redoxaktives Gerüst beschrieben. Ob daraus ein wirtschaftlicher CO2-Filter entsteht, müssen größere Durchbruchsexperimente und Prozessanalysen zeigen. Der Ansatz löst jedoch ein reales Problem vieler Adsorbentien auf ungewöhnliche Weise. Wasser wird nicht vollständig ausgeschlossen, sondern erhält im Porensystem seinen eigenen chemischen Platz.