Kohlenstoffnanoröhren zur Speicherung von Treibhausgasen

01.10.2015

Kohlenstoffnanoröhren zur Speicherung von Treibhausgasen

Die Gase CO2 und SO2 sind für ihre hohe Umweltrelevanz in der Atmosphäre bekannt. So verursacht CO2, insbesondere durch die Verbrennung fossiler Quellen den Löwenteil der atmosphärischen Treibhausgase und damit der globalen Erwärmung. In großen Mengen kommen beide u.a. auch in Abgasen von Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen als Rauchgase vor. Kohlenstoffmaterialien stellen technologisch wichtige Absorbentien in Filteranlagen und Reinigerkomponenten dar. Hierfür ist u.a. deren hohe aktive Oberfläche mit ihren unterschiedlichen Porensystemen eine wichtige Voraussetzung. Nachteilig ist dabei aber deren nicht vollständig reversibles Be- und Entladeverhalten während der Ad- bzw. Desorptionszyklen.

Gase wie CO2 und SO2 mittels vertikal geordneter Kohlenstoffnanomaterialen reversibel zu binden, haben jetzt die Arbeitsgruppen um Prof. Florian Müller-Plathe und Prof. Jörg J. Schneider am Eduard-Zintl-Institut in Kooperation mit der Gruppe von Prof. Jayant Singh am IIT Kanpur, Indien, vorgestellt (Publikation: M. Rahimi, D.J. Babu, J.J. Singh, Y-Biao Yang, J.J. Schneider and F. Müller-Plathe, „Double walled carbon nanotube array for CO2 and SO2 Adsorption“, J. Chem. Phys., 143, 124701, 2015; http://dx.doi.org/10.1063/1.4929609).

Die Partner fanden heraus, dass Wälder von Kohlenstoffnanoröhren (engl. CNT), d.h. dichte vertikale Anordnungen von CNT-Materialien im Vergleich zu ihrer Masse sehr große Mengen an CO2 und auch SO2 reversibel binden können. Dies sowohl bei niedrigen als auch bei hohen CO2 oder SO2 Gasdrücken. Insbesondere im mittleren Druckbereich von 30 bar übertreffen sie hierbei bislang dafür bekannte Materialien wie z.B. Zeolithe oder auch die seit einigen Jahren stark beforschten Metall-organischen Gerüststrukturen (engl. MOF). Neben der großen aktiven Oberfläche der CNT-Wälder ist insbesondere die hierarchische Strukturierung des CNT-Waldes für dieses Adsorptionsverhalten entscheidend. Die beobachteten Eigenschaften beruhen auf einer abgestimmten Verteilung von Adsorptionsstellen im mikro- und mesoporösen Bereich bei zugleich hoher Gasdiffusivität der gesamten CNT-Struktur. Letztere ist entscheidend verantwortlich für den Gastransport in das innere der Kohlenstoffstruktur und damit die anfolgende effektive Einlagerung (Speicherung) der Gase auf mikro- und mesoskopischer Strukturebene. Die strukturellen Parameter der CNT-Wälder sind abhängig vom Durchmesser der einzelnen CNT, deren Abstand und ihrer Höhe und können experimentell angepasst werden. Mittels molekular-dynamischer Verfahren lässt sich das Ad- und Desorptionsverhalten dieser Modellmaterialien theoretisch sehr gut verstehen und diese Prozesse erfolgreich simulieren, so dass auch weitere experimentelle Eigenschaften der Kohlenstoff-Nanomaterialien vorhergesagt werden können. Auf diese Weise entsteht eine ideale Ergänzung zwischen Experiment und Theorie.

Gefördert wurden die Arbeiten der drei Gruppen im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogrammes 1570 und durch die Humboldt Stiftung.

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