Selektive CO_₂-Abscheidung auch bei Feuchtigkeit

Herkömmliche Adsorptionsmittel wie Aktivkohle oder Zeolithe stoßen bei feuchten Bedingungen schnell an ihre Grenzen. Sie zeigen entweder eine geringe Selektivität oder einen hohen Energiebedarf bei der Regeneration. CALF-20 hingegen, ein MOF (Metal Organic Framework) auf Zinkbasis, zeichnet sich durch eine hohe Aufnahmefähigkeit für CO_₂ aus – selbst bei mäßiger Feuchtigkeit. Zudem benötigt es wenig Energie für Adsorption und Regeneration. Dank seiner Struktur adsorbiert CALF-20 bevorzugt CO_₂ und deutlich weniger Wasser als vergleichbare Materialien.

MOFs bestehen aus hochporösen Netzwerken: Metall-Sauerstoff-Cluster werden durch organische Säulen zu einem dreidimensionalen Gerüst verbunden – vergleichbar mit den Poren eines Küchenschwamms.

Vielschichtige Untersuchungsmethoden

„In dieser Studie haben wir mit einem vielschichtigen Ansatz das CO_₂-Adsorptionsverhalten von CALF-20 untersucht. Mit einer Kombination aus Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie (PALS), In-situ-Pulver-Röntgendiffraktometrie (PXRD) und Gasadsorptionsexperimenten konnten wir die Wechselwirkung zwischen CO_₂-Molekülen und der inneren Struktur des Materials bei unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden sichtbar machen. Diese Erkenntnisse liefern uns wichtige Informationen für die Optimierung von CO_₂-Abscheidungstechnologien in industriellen Umgebungen“, erklärt Dr. Ahmed Attallah vom Institut für Strahlenphysik am HZDR.

PALS liefert entscheidende Einblicke

Ein besonderer Fokus der Studie lag auf der Anwendung der Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie. Prof. Radosław Zaleski von der Universität Lublin erläutert: „PALS spielt eine entscheidende Rolle bei der Analyse der Wechselwirkung von Gasen mit porösen Materialien. Diese Technik misst die Lebensdauer von Positronium, einem gebundenen Zustand eines Elektrons und eines Positrons, der empfindlich auf lokale freie Volumina reagiert. In porösen Materialien wie CALF-20 geben die Positronium-Lebensdauern Aufschluss über leere Räume, ihre Größe und wie sie sich verändern, wenn Gasmoleküle die Poren zu füllen beginnen.“

Die PALS-Ergebnisse zeigten, dass sich CO_₂-Moleküle zunächst im Zentrum der Nanoporen ansammeln, sich strukturiert anordnen und erst anschließend an den Porenwänden haften. Selbst bei vollständig mit CO_₂ gefüllten Poren bleiben kleine freie Volumina erhalten – ein entscheidender Faktor für die Adsorptionseffizienz.

Konkurrenz zwischen CO_₂ und Wasser

Ein kritischer Punkt bei der CO_₂-Abscheidung in der Praxis ist die Konkurrenz zwischen CO_₂- und Wassermolekülen um Adsorptionsplätze. Die Forschenden führten gezielte In-situ-Experimente unter kontrollierter Luftfeuchtigkeit durch, um dieses Verhalten zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass CALF-20 selbst bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 40 Prozent eine hohe CO_₂-Aufnahmekapazität beibehält.

„Diese strukturellen Veränderungen wirken sich auf die Zugänglichkeit der Poren aus. Dennoch behält CALF-20 seine signifikante CO_₂-Adsorptionskapazität bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 40 Prozent bei. Herkömmliche Gasadsorptionsmethoden allein hätten Schwierigkeiten, diese feinen strukturellen Veränderungen aufzulösen, was den einzigartigen Wert von PALS bei der Analyse dynamischer Gas-Material-Wechselwirkungen zeigt“, resümiert Prof. Stefan Kaskel von der TUD.

CALF-20: Robust auch unter realen Bedingungen

Wird die Luftfeuchtigkeit erhöht, bilden die Wassermoleküle ein Netzwerk durch Wasserstoffbrückenbindungen, das zunehmend die Poren besetzt. Trotzdem gelingt es CALF-20, CO_₂ weiter effizient zu binden. Dies spricht für die Robustheit des Materials in industriellen Einsatzszenarien, wo Feuchtigkeit fast immer vorhanden ist.

Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass CALF-20 eine skalierbare und energieeffiziente Lösung für industrielle CO_₂-Abscheidungsprozesse darstellt. Das Material wurde an der Universität Calgary entwickelt und ist bereits im Maßstab mehrerer Kilogramm herstellbar.

Perspektiven für die Praxis

Die Erkenntnisse aus dieser Studie könnten wichtige Impulse für die Entwicklung kommender MOF-Generationen liefern. Weitere Forschungsarbeiten sollen sich mit der Langzeitstabilität und Prozessintegration von CALF-20 befassen, um es fit für industrielle CO_₂-Reduktionsstrategien zu machen.

Forschungsförderung

Die Studie wurde im Rahmen des Projekts 464857745 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert (AT 289/1-1 und KA1698/41-1).

Originalpublikation:
Attallah, A. G., Bon, V., Hirschmann, E., Butterling, M., Wagner, A., Zaleski, R., & Kaskel, S. (2025). Uncovering the dynamic CO2 gas uptake behavior of CALF-20 (Zn) under varying conditions via positronium lifetime analysis. Small. DOI: 10.1002/smll.202500544

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf