Quantenchemische Berechnungen an der HU ermöglichen die Entwicklung neuer poröser Materialien, die durch eine hohe Absorptionskapazität für CO₂ gekennzeichnet sind.

Klimaforscher sind sich einig: Um die Klimakrise zu überwinden, müssen wir nicht nur die Kohlendioxidemissionen (CO₂) reduzieren, sondern auch das klimaschädliche Gas direkt aus der Luft und den Abgasen filtern. Dazu arbeiten Wissenschaftler an sogenannten „Direct Air Capture“-Technologien und suchen nach geeigneten Materialien, die CO₂-Moleküle gut binden (adsorbieren) und bei steigender Temperatur wieder in konzentrierter Form freisetzen, um das Gas beispielsweise unterirdisch speichern zu können.

Material, COF-999: Erfolgreiche Adsorption von Kohlendioxidmolekülen

Im Fachjournal Nature berichtet ein internationales Forschungsteam unter Einbeziehung von Prof. Dr. Joachim Sauer von der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) über die chemische Synthese des speziellen Materials COF-999, die von der Doktorandin Zihui Zhou aus der von Prof. Dr. Omar Yaghi an der University of California (UC) in Berkeley geleiteten Forschungsgruppe erreicht wurde. Das Material ist eine organische Rahmenverbindung (Covalent Organic Framework – COF), in der Polyamine, die im Rahmen in den Poren gebunden sind, die Adsorption der Kohlendioxidmoleküle gewährleisten.

„Besonders ist, dass das Material nicht nur eine sehr hohe Absorptionskapazität für CO₂ besitzt, sondern dass diese Kapazität in Gegenwart von Wasser mehrfach erhöht wird. Wasser, das in der Umgebungsluft und den Abgasen stets vorhanden ist, beeinträchtigt hier nicht, sondern hat überraschenderweise einen äußerst positiven Effekt“, erklärt Sauer, renommierter Quantenchemiker und leitender Forscher am Institut für Chemie der Humboldt-Universität.

Eintauchen in die Feinheiten quantenchemischer Berechnungen

Als Mitglied des Forschungsteams war Joachim Sauer für die quantenchemische Aufklärung der Funktionsweise des Materials auf atomarer Ebene verantwortlich. Die in den Experimenten gewonnenen Erkenntnisse reichten nicht aus, um genau zu bestimmen, wo sich die Atome (Aminogruppen) in der porösen Feststoffstruktur befinden, an die die CO₂-Moleküle „andocken“. Daher bestand der erste Schritt darin, ein Strukturmodell zu erstellen, das mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt. Der zweite entscheidende Schritt war die Berechnung, wie stark CO₂ an die verschiedenen Aminogruppen in unterschiedlichen Positionen gebunden ist und wie sich dies in Gegenwart von Wassermolekülen (H₂O) verändert.

Prof. Dr. Joachim Sauer: „Unsere quantenchemischen Berechnungen sind unverzichtbar, weil das atomare Verständnis ihrer Funktionsweise die Grundlage für die Entwicklung weiter verbesserter Materialien bildet. Wir arbeiten derzeit gemeinsam mit unseren Partnern an der UC Berkeley und der University of Chicago daran.“

Expertenkontakt
Prof. Dr. hc Joachim Sauer
Institut für Chemie, Humboldt-Universität zu Berlin
E-Mail: js@chemie.hu-berlin.de

Originalveröffentlichung
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
Zeitschrift: Nature
Artikel Titel: Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks
Veröffentlichungsdatum des Artikels: 23. Oktober 2024
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08080-x

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Quelle: IDW