Neues poröses Material fängt CO₂ und SF₆ ein

Forschende bezeichnen ein neu entwickeltes poröses Material mit einer einzigartigen Molekularstruktur als „Käfig aus Käfigen“. Es könnte dazu dienen, Kohlendioxid und ein weiteres, noch stärkeres Treibhausgas einzufangen.

Das Material wurde von Wissenschafterinnen und Wissenschaftern in Großbritannien und China im Labor synthetisiert. Seine Herstellung erfolgt in zwei Schritten: Reaktionen fügen dreieckige Prisma-Bausteine zu größeren, symmetrischeren tetraedrischen Käfigen zusammen. Dadurch entstand nach Angaben des Teams die erste Molekularstruktur dieser Art.

Poröses Material zur Bindung von Treibhausgasen

Dank seines hohen Anteils polarer Moleküle zieht das daraus hervorgehende Material Treibhausgase wie Kohlendioxid (CO₂) stark an und hält sie fest. Zudem erwies es sich in Wasser als äußerst stabil. Das wäre für den Einsatz bei der Kohlenstoffabscheidung in industriellen Anlagen entscheidend, etwa bei feuchten oder humiditätsreichen Gasströmen.

„Das ist eine spannende Entdeckung“, sagt Marc Little, Materialwissenschafter an der Heriot-Watt University in Edinburgh und leitender Autor der Studie, „denn wir brauchen neue poröse Materialien, um die größten Herausforderungen der Gesellschaft zu bewältigen, etwa das Abscheiden und Speichern von Treibhausgasen.“

Die Substanz wurde bislang nicht in großem Maßstab getestet. Laborversuche zeigten jedoch, dass das neue käfigartige Material auch eine hohe Aufnahme von Schwefelhexafluorid (SF₆) erreicht. Nach Angaben des Weltklimarats ist dies das stärkste Treibhausgas.

Während CO₂ 5–200 Jahre in der Atmosphäre verbleibt, kann SF₆ dort zwischen 800 und 3.200 Jahren bestehen. Die Konzentration von SF₆ in der Atmosphäre ist zwar wesentlich geringer, doch seine außerordentlich lange Lebensdauer verleiht SF₆ über einen Zeitraum von 100 Jahren betrachtet ein Treibhauspotenzial, das rund 23.500-mal höher ist als jenes von CO₂.

CO₂ und SF₆ aus der Atmosphäre entfernen

Um den Klimawandel einzudämmen, müssen wir dringend große Mengen SF₆ und CO₂ aus der Atmosphäre holen – oder ihren Eintrag von vornherein verhindern.

Forschende schätzen, dass jährlich rund 20 Milliarden Tonnen CO2 entfernt werden müssten, um die weiterhin steigenden Kohlenstoffemissionen auszugleichen.

Bisher werden durch Strategien zur Kohlenstoffentnahme etwa 2 Milliarden Tonnen pro Jahr beseitigt, überwiegend durch Bäume und Böden. Nur ungefähr 0,1 Prozent der Kohlenstoffentnahme – rund 2,3 Millionen Tonnen jährlich – gehen auf neue Technologien wie die direkte Luftabscheidung zurück. Dabei nehmen poröse Materialien CO₂ direkt aus der Luft auf.

Forschungsteams entwickeln laufend neue Materialien, um die direkte Luftabscheidung effizienter und weniger energieintensiv zu gestalten; dieses neue Material könnte eine weitere Möglichkeit darstellen. Um die schwersten Folgen des Klimawandels zu vermeiden, müssen die Treibhausgasemissionen allerdings schneller sinken, als es diese noch jungen Technologien derzeit ermöglichen.

Dennoch müssen alle verfügbaren Mittel gegen dieses globale Problem eingesetzt werden. Ein Material mit einer derart komplexen Struktur herzustellen, war jedoch nicht einfach – auch wenn sich die Vorläufermoleküle technisch gesehen selbst zusammensetzen.

Supramolekulare Selbstorganisation als Herstellungsweg

Dieser Ansatz wird supramolekulare Selbstorganisation genannt. Aus einfacheren Bausteinen können damit chemisch ineinandergreifende Strukturen entstehen. Erfordert wird jedoch eine genaue Abstimmung, denn „die besten Reaktionsbedingungen sind oft nicht intuitiv offensichtlich“, erklären Little und seine Kolleginnen und Kollegen in ihrer veröffentlichten Arbeit.

Je komplexer das Endmolekül ausfällt, desto schwieriger ist seine Synthese. Außerdem kann bei diesen Reaktionen verstärkt molekulares „Durcheinander“ auftreten.

Um diese sonst nicht sichtbaren molekularen Wechselwirkungen besser zu verstehen, setzten die Forschenden Simulationen ein. Damit sagten sie voraus, wie sich ihre Ausgangsmoleküle zu diesem neuen Typ porösen Materials zusammenfügen würden. Berücksichtigt wurden die Geometrie möglicher Vorläufermoleküle sowie die chemische Stabilität und Steifigkeit des Endprodukts.

Neben seinem Potenzial zur Aufnahme von Treibhausgasen könnte das neue Material nach Ansicht der Forschenden auch andere giftige Dämpfe aus der Luft entfernen. Dazu zählen flüchtige organische Verbindungen, die von Oberflächen – etwa im Innenraum neuer Autos – leicht in Dampf- oder Gasform übergehen.

„Wir sehen diese Studie als einen wichtigen Schritt, um solche Anwendungen künftig zu erschließen“, sagt Little.

Die Studie wurde in Nature Synthesis veröffentlicht.