Kohlenstoff-Nanofasern zur CO2-Kompensation?

Um die Klimaziele zu erreichen, müssen CO₂-Emissionen stark gesenkt werden. Denn das vom Menschen und seinen Aktivitäten erzeugte Kohlendioxid ist mitverantwortlich für die Erderwärmung. Auf globaler Ebene suchen Forschende daher nach effektiven und langlebigen Lösungen, um die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre zu senken und dementsprechend den Kohlenstoff dauerhaft zu speichern. Eine der möglichen Lösungen sollen die CCS-Technologien (Carbon Capture and Storage) sein, an denen Forschende schon seit längerem tüfteln. Nun hat sich eine Forschungsgruppe des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums und der Columbia University in New York an einen neuen Ansatz gewagt:

Tandem-Strategie

Das Forschungsteam entwickelt ein chemisches Verfahren, welches erstmals zwei Reaktionen miteinander kombiniert (Tandem-Strategie). Damit sollen die Hürden der Einzelschritte umgangen werden. Als erstes wird eine elektrochemische Co-Reaktion von Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) durchgeführt; daraus entstehen Kohlenmonoxid (CO), Sauerstoff (0₂) und Wasserstoff (H₂).
Danach wird eine thermochemische Folgereaktion durchgeführt. Bei niedriger Temperatur (ca. 400 Grad Celsius) unter Normaldruck wird Kohlenmonoxid zu atomarem Kohlenstoff (C) umgewandelt. Aus dem geschaffenen Kohlenstoff können feste Carbonfasern gebildet werden. Sie haben einen Durchmesser von etwa 20 Nanometern.

Dadurch, dass die vollständige Reaktion in zwei Phasen geschieht, können die Forschenden auch zwei Katalysatoren verwenden. Diese beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Im Verfahren verwenden die Forschenden nun einen Elektrokatalysator aus Palladium und Kohlenstoff sowie einen Thermokatalysator aus einer Eisen-Kobalt-Legierung und metallischem Kobalt. Ersterer funktioniert über Strom, der Zweite wird durch Hitze aktiviert.

Durch die Kopplung von Elektrokatalyse und Thermokatalyse in diesem Tandemprozess, erreichen wir Dinge, die mit keinem der beiden Prozesse allein erreicht werden können.
- Jingguang Chen, Seniorautor und Projektleiter

Recycling der Katalysatoren

Um die chemische Reaktion nachhaltig und wirtschaftlich attraktiv zu gestalten, sollten die Katalysatoren einige Male verwendet werden können. Deshalb entwickelt das Forschungsteam ein Verfahren, welches die Katalysatoren von den Carbonfasern trennt. Durch Säure können die Materiale getrennt werden, ohne dass die Kohlenstoff-Nanofasern zerstört werden. Somit können die Katalysatoren erneut verwendet werden.

Ein nachhaltiger und nützlicher Emissionsausgleich?

Mit ihrem neuen Ansatz für die Herstellung von Kohlenstoff-Nanofasern sollen CO₂-Emissionen langfristig kompensiert werden, indem der atmosphärische Kohlenstoff als nützlicher Feststoff gespeichert wird. Zusätzlich fällt bei der Tandemstrategie auch der begehrte Wasserstoff (H₂) als Nebenprodukt an. Anwendungen für die vielseitigen und robusten Carbonfasern gibt es viele – sie sind gute Leiter von Strom und Wärme. Eine Anwendungsmöglichkeit wäre, die Nanofasern als Verstärkung in Beton bzw. Zement einbringen.

Damit wäre der Kohlenstoff für mindestens 50 Jahre im Beton eingeschlossen, möglicherweise sogar länger. Bis dahin sollte die Menschheit hauptsächlich auf erneuerbare Energiequellen umgestiegen sein, die keinen Kohlenstoff freisetzen.
– J. Chen

Die Forschenden berichten, dass ihre Methode sowohl kostengünstig als auch energiearm sei. Würde ihr Verfahren durch erneuerbare Energie angetrieben werden, sollen die Ergebnisse laut dem Team sogar CO₂-negativ ausfallen. Dennoch ist anzumerken, dass durch eine solche Carbonfaser-Produktion keineswegs alle Probleme gelöst werden, da wahrscheinlich nur ein geringer Anteil kompensiert werden könnte. Dem steht der Vorteil gegenüber, dass der Kohlenstoff, der aus der Atmosphäre gefiltert wird, gleich eine nützliche Anwendung findet.