Forscher entwickeln einen nachhaltigen Gelfilm, um Kohlendioxid bei reduzierten Energiekosten einzufangen

Dialog vom 17. August 2023

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von Dr. Youhong Guo

Die weltweiten CO2-Emissionen erreichten im Jahr 2022 36,1 Gigatonnen, und dies verbrauchte 13–36 % des verbleibenden Kohlenstoffbudgets, um die Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen, was bedeutet, dass unsere zulässigen Emissionen innerhalb von zwei Jahren erschöpft sein könnten.

Direct Air Capture (DAC)-Technologien extrahieren CO2 an jedem Ort direkt aus der Atmosphäre, ihre Praktikabilität wird jedoch durch den höheren Energiebedarf und die Gesamtkosten eingeschränkt. Insbesondere funktionieren die meisten Systeme auf Feststoffsorbensbasis unter feuchten Bedingungen nicht gut und haben hohe Regenerationstemperaturen oder erfordern Vakuumbedingungen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, haben wir nachhaltige Hydrogele zur Kohlenstoffabscheidung (SCCH) als bahnbrechendes Material für die CO2-Abscheidung mit hoher Aufnahme und außergewöhnlich niedriger Regenerationsenergie entwickelt (Abbildung 1). Die Studie ist in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

Im Gegensatz zu anderen Sorptionsmaterialien, bei denen das inerte Wasser zu einer energieintensiven thermischen Regeneration führt, weist Wasser in Hydrogelen eine verringerte Verdampfungsenthalpie auf, die zu einer geringeren Regenerationsenergie beitragen kann. Das SCCH besteht aus kostengünstigem Biomasse-Konjakgummi, thermoresponsiver Cellulose und gleichmäßig dispergiertem Polyethylenimin (PEI). Ein weiterer Vorteil dieses SCCH ist seine einzigartige hierarchische Struktur. Die mikro- und nanoskaligen Poren ermöglichen den CO2-Transport und den einfachen Zugang zu aktiven Aminstellen.

Der voreingefangene Wasserdampf verstärkt die CO2-Bindung mit PEI, was zu einer deutlich höheren Einfangkapazität unter feuchten Bedingungen führt (Abbildung 2, links). Darüber hinaus wird das eingefangene CO2 bei geringer Energiezufuhr freigesetzt (Abbildung 2, rechts), was durch milde elektrische Heizung oder Sonneneinstrahlung ohne Vakuum erreicht werden kann, solange die Temperatur ~60°C erreicht. Dies wird durch die verringerte Verdampfungsenthalpie von Wasser in hydrophilen Hydrogelen und die Thermoreaktivität von Cellulose unterstützt.

Wir heben auch einen weiteren Vorteil unseres SCCH hervor, nämlich die einfache Zubereitung. Das Gel kann aus handelsüblichen Materialien hergestellt, in Wasser gelöst, in eine Form gegossen und anschließend gefriergetrocknet werden. Dies ist skalierbar und in der Umgebungsluft haltbar, was der praktischen Anwendung zugutekommt. Mit einer so niedrigen Regenerationstemperatur können unsere neuen Hydrogele eine bahnbrechende Materialplattform für ein nachhaltigeres Luftqualitätsmanagement und DAC-Technologien sein.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Youhong Guo et al., Skalierbare aus Biomasse gewonnene Hydrogele für eine nachhaltige Kohlendioxidabscheidung, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02157

Zeitschrifteninformationen:Nano-Buchstaben

Youhong Guo ist Postdoc am Department of Chemical Engineering des Massachusetts Institute of Technology und arbeitet mit Prof. T. Alan Hatton zusammen. Ihre Forschungsinteressen sind die Entwicklung von Polymermaterialien für Anwendungen in den Bereichen Energie und ökologische Nachhaltigkeit.