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Ein neues Material, mit dem Kohlendioxidmoleküle (CO2) selektiv eingefangen und effizient in nützliche organische Materialien umgewandelt werden können, wurde von Forschern der Universität Kyoto zusammen mit Kollegen der Universität Tokio und der Jiangsu Normal Universität in China entwickelt.
Unser Verbrauch fossiler Brennstoffe hat weltweit zu einem Anstieg der Emission des Treibhausgases Kohlendioxid (CO2) geführt. Diesem Anstieg steht in einem engen Zusammenhang mit der Erderwärmung und dem beobachteten Klimawandel. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, besteht darin, Kohlenstoff aus der Atmosphäre einzufangen und zu binden. Derzeitige Verfahren sind jedoch sehr energieintensiv. Die geringe Reaktivität von CO2 erschwert zudem die effiziente Abscheidung und Umwandlung in beispielsweise Ausgangsmaterialien für die Herstellung von Kunststoffen.
Nun aber haben japanischen und chinesische Wissenschaftler in enger Kooperation nach eigenen Angaben erfolgreich ein poröses Material entwickelt, das eine hohe Affinität zu CO2-Molekülen besitzt und das es ermöglicht, Kohlendioxid rasch in nützliche organische Materialien umzuwandeln, sagt Ken-ichi Otake, Materialwissenschaftler an der Universität Kyoto am Institut für Integrierte Zellmaterialwissenschaften (iCeMS).
Das Material ist ein poröses Koordinationspolymer (PCP, auch bekannt als MOF; Metal-Organic Framework), dass ein aus Zinkmetallionen bestehendes Gerüst hat. Die Forscher testeten ihr Material mithilfe einer Röntgenstrukturanalyse und stellten fest, dass es ausschließlich CO2-Moleküle mit zehnmal höherer Effizienz als andere PCPs selektiv einfangen kann.
Das Material hat eine organische Komponente mit einer propellerähnlichen Molekülstruktur. Wenn sich die CO2-Moleküle der Struktur nähern, drehen sie sich und ordnen sich neu an, um die Speicherung von CO2 zu ermöglichen. Dies führt zu geringfügigen Änderungen der Molekülkanäle innerhalb des PCP. Dadurch fungiert es sozusagen als molekulares Sieb, in dessen Maschen sich CO2-Moleküle verfangen. Das PCP kann auch recycelt werden. Die Effizienz des Katalysators nahm auch nach 10 Reaktionszyklen nicht ab.
"Eine der umweltfreundlichsten Methoden zur Kohlenstoffbindung besteht darin, das Kohlendioxid in hochwertige Chemikalien wie zyklische Carbonate umzuwandeln, die in Petrochemikalien und Pharmazeutika verwendet werden können", sagt Susumu Kitagawa, Materialchemiker an der Universität Kyoto. Nach dem Abfangen des Kohlenstoffs kann aus dem konvertierten Material zudem Polyurethan hergestellt werden, ein Material mit einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen.
Ihre Arbeit hebt das Potenzial poröser Koordinationspolymere hervor, Kohlendioxid einzufangen und in nützliche Materialien umzuwandeln, und eröffne zudem einen Weg für die zukünftige Erforschung von Kohlenstoffabscheidungsmaterialien, heißt in einer Pressemeldung der Kyoto Universität.
Referenz
Pengyan Wu, Yang Li, Jia-Jia Zheng, Nobuhiko Hosono, Ken-ichi Otake, Jian Wang, Yanhong Liu, Lingling Xia, Min Jiang, Shigeyoshi Sakaki & Susumu Kitagawa, Carbon dioxide capture and efficient fixation in a dynamic porous coordination polymer, Nature Communications 10, Article number: 4362 (2019), http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-12414-z
Quelle: Kyoto University
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