Neues Material für die Entnahme von Kohlendioxid aus Luft und Abgasen

Quantenchemische Berechnungen der HU ermöglichen die Entwicklung poröser Materialien, die viel CO₂ aufnehmen können

Modell der organischen Gerüstverbindung, die dem neuen, im Labor synthetisierten Material COF-999 zugrunde liegt. Polyamine (blau), die in den Poren an das Gerüst gebunden sind, sorgen für die Adsorption von Kohlendioxid-Molekülen (hellblau-orange). Das Material könnte in Zukunft „Direct Air Capture“-Technologien verbessern, mit denen Kohlendioxid aus Luft und Abgasen herausgefiltert wird. Bild: Zihui Zhou, UC Berkeley

Klimaexperten sind sich einig: Für die Bewältigung der Klimakrise werden wir nicht nur den Ausstoß von Kohlendioxid (CO₂) vermindern, sondern das klimaschädliche Gas auch direkt aus Luft und Abgasen herausfiltern müssen. Dafür arbeiten Wissenschaftler*innen an sogenannten „Direct Air Capture“-Technologien und sind auf der Suche geeigneten Materialien, die CO₂-Moleküle gut binden (adsorbieren) und – bei Temperaturerhöhung – auch wieder in konzentrierter Form freigeben, um das Gas beispielsweise unterirdisch speichern zu können.

Chemische Synthese des Materials COF-999 gelungen

In der Zeitschrift Nature berichtet ein internationales Forschungsteam, dem Prof. Dr. Joachim Sauer von der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) angehört, über die chemische Synthese des speziellen Materials, COF-999, die dem Doktoraden Zihui Zhou aus der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Omar Yaghi an der University of California (UC) at Berkeley gelungen ist. Bei dem Material handelt sich um eine organische Gerüstverbindung (Covalent Organic Framework – COF), in der Polyamine, die in den Poren an das Gerüst gebunden sind, für die Adsorption der Kohlendioxid-Moleküle sorgen.

„Das Besondere ist, dass das Material nicht nur eine sehr hohe Aufnahmekapazität für CO₂ hat, sondern dass diese in Anwesenheit von Wasser sogar mehrfach höher ist. Wasser, das immer in der Umgebungsluft und Abgasen enthalten ist, stört hier nicht, sondern hat überraschenderweise einen äußerst positiven Effekt“, sagt Sauer, renommierter Quantenchemiker und Senior Researcher am Institut für Chemie der Humboldt-Universität.

HU-Forscher klärt Funktionsweise des Materials durch quantenchemische Berechnungen auf

Als Mitglied des Forschungsteams war Joachim Sauer für die quantenchemische Aufklärung der Wirkungsweise des Materials auf atomarer Ebene verantwortlich. Denn die Erkenntnisse, die in Experimenten gewonnen wurden, reichten nicht aus, um zu bestimmen, an welcher Stelle genau sich die Atome (Amingruppen) in der porösen Festkörperstruktur befinden, an die die CO₂-Moleküle „andocken“. Deshalb musste im ersten Schritt ein Strukturmodell aufgestellt werden, das mit den Erkenntnissen aus den Experimenten konform ist. Im zweiten kritischen Schritt ging es darum zu berechnen, wie stark CO₂ an die verschiedenen Amingruppen in unterschiedlichen Positionen gebunden wird und wie sich das in Anwesenheit von Wassermolekülen (H₂O) ändert.

Prof. Dr. Joachim Sauer: „Unsere quantenchemischen Rechnungen sind unverzichtbar, weil das atomare Verständnis der Funktionsweise die Basis für die Entwicklung weiter verbesserter Materialien ist. Daran arbeiten wir zurzeit mit unseren Partnern an der UC Berkeley und der Universität Chicago.“

Publikation

Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks
Zihui Zhou, Tianqiong Ma, Heyang Zhang, Saumil Chheda, Haozhe Li, Kaiyu Wang, Sebastian Ehrling, Raynald Giovine, Chuanshuai Li, Ali H. Alawadhi, Marwan M. Abduljawad, Majed O. Alawad, Laura Gagliardi, Joachim Sauer & Omar M. Yaghi
Nature 635, 96–101 (2024). DOI:10.1038/s41586-024-08080-x

Kontakt

Prof. Dr. h.c. Joachim Sauer
Arbeitsgruppe Quantenchemie der Festkörper/ Katalyse
Institut für Chemie
Humboldt-Universität zu Berlin
js(at)chemie.hu-berlin.de

Pressemitteilung HU Berlin vom 16.01.2025