Kohlendioxid als Rohstoff: Neue Methode zur Zementherstellung
Ein Forscherteam der University of Michigan hat gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Kalifornien eine Methode entwickelt, um Kohlendioxid in Vorprodukte für die Zementherstellung umzuwandeln. Das könnte dazu beitragen, die Atmosphäre zu entlasten und gleichzeitig die Ressourceneffizienz zu steigern.
Kohlendioxid ist ein Umweltproblem. Forschende haben jetzt eine Technologie für eine mögliche Weiterverarbeitung entwickelt.
Foto: PantherMedia / Dmitrynew83
Forschende der University of Michigan, unter der Leitung von Charles McCrory, haben in Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, Davis und Los Angeles eine Technologie entwickelt, mittels der sich Kohlendioxid abscheiden und in Metalloxalate umwandeln lässt. Diese Verbindungen dienen als Ausgangsstoffe für die Produktion von Zement. McCrory betont die Bedeutung dieser Forschung: „Wir zeigen, wie man Kohlendioxid, das als Abfallprodukt oft als wertlos gilt, in etwas Nützliches transformieren kann. Anstatt es einfach zu entsorgen, verarbeiten wir es sinnvoll weiter.“
Die Forschungsarbeit wurde durch McCrorys Engagement im Center for Closing the Carbon Cycle (4C) inspiriert, einem vom US-Energieministerium finanzierten Projekt zur Erforschung neuer Methoden der Kohlendioxid-Abscheidung und -Umwandlung. Herkömmlicher Portlandzement, der üblicherweise aus Kalkstein und Mineralien wie Kalziumsilikaten hergestellt wird, ist mit einem hohen Energiebedarf und einem immensen CO2-Fußabdruck verbunden. Die Forschenden suchten daher nach Alternativen, um Kohlendioxid in Materialien zu überführen, die als Ausgangsstoffe für umweltfreundlicheren Zement dienen können.
Blei als Katalysator: Schlüssel zur Kohlendioxid-Umwandlung
Metalloxalate, eine Klasse einfacher Salze, eignen sich als alternative Zementvorprodukte. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben erkannt, dass Blei als Katalysator fungieren kann, um Kohlendioxid in diese Verbindungen umzuwandeln. Allerdings erfordert das Verfahren normalerweise große Mengen an Bleikatalysatoren, was mit Risiken für Umwelt und Gesundheit einhergeht. Dank des Einsatzes spezieller Polymere gelang es dem 4C-Team jedoch, die unmittelbare Umgebung der Bleikatalysatoren so zu verändern, dass die benötigte Bleimenge auf wenige Milliardstel reduziert werden konnte – Spurenmengen, die in vielen handelsüblichen Kohlenstoffmaterialien vorkommen.
McCrory, Experte für die Kontrolle der mikroskopischen Umgebung von Katalysatoren, erläutert diesen Ansatz: „Durch die präzise Steuerung der chemischen Verhältnisse um die katalytisch aktiven Stellen können wir die Aktivität des Katalysators gezielt einstellen. So lässt sich die erforderliche Bleimenge für die Umwandlung von Kohlendioxid in Oxalat deutlich verringern.“
Elektrochemische Umwandlung von Kohlendioxid in feste Metalloxalate
Um Oxalat aus Kohlendioxid herzustellen, setzen die Forscher-Teams ein System aus zwei Elektroden ein. An einer Elektrode wird das Kohlendioxid in gelöstes Oxalat-Ion umgewandelt, während an der anderen Elektrode Metallionen freigesetzt werden, die mit dem Oxalat reagieren und als festes Metalloxalat ausfallen. „Die Metallionen verbinden sich mit dem Oxalat und bilden einen Feststoff, der aus der Lösung herausfällt“, erklärt McCrory den Prozess.
Die Idee, Spuren von Blei als Katalysator für die Oxalat-Synthese zu nutzen, stammt von Jesús Velázquez, einem weiteren Hauptautoren der Studie und Professor an der University of California, Davis. Sein Team untersuchte die Mechanismen der chemischen Umwandlung von Kohlendioxid zu Oxalat. Velázquez erläutert: „Sie stellen ein noch nicht ausreichend erforschtes Gebiet dar und können als alternative Zementmaterialien, Synthesevorstufen und sogar zur Speicherung von Kohlendioxid dienen.“
Berechnungen bestätigten Funktionsfähigkeit der Idee
Anastassia Alexandrova, ebenfalls Hauptautorin der Studie und Professorin an der University of California, Los Angeles, führte mit ihrem Team Berechnungen durch, um die Hypothese zu bestätigen, dass dieser Mechanismus funktionieren würde. „Katalysatoren werden oft durch Zufall entdeckt, und erfolgreiche industrielle Formulierungen sind meist sehr komplex. In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass eine Bleispurverunreinigung tatsächlich als Katalysator wirken kann. Ich glaube, dass es in der praktischen Katalyse noch viele solcher Beispiele gibt, die bisher nicht ausreichend erforscht wurden“, sagt Alexandrova.
McCrory betont, dass das Kohlendioxid nach der Umwandlung in festes Metalloxalat unter normalen Bedingungen nicht wieder als CO2 in die Atmosphäre freigesetzt wird. „Es handelt sich um einen echten Abscheidungsprozess, da man einen Feststoff herstellt. Gleichzeitig ist es auch ein nützlicher Prozess, weil man ein wertvolles Material mit nachgelagerten Anwendungen gewinnt.“
Die Forschenden arbeiten derzeit daran, den Prozess der Kohlendioxid-Elektrolyse in großem Maßstab zu realisieren. Die nächsten Schritte bestehen darin, auch die Herstellung des festen Produkts zu skalieren. McCrory ist zuversichtlich: „Wir sind noch nicht so weit, aber ich denke, es ist ein skalierbarer Prozess. Den Bleikatalysator auf Teile pro Milliarde zu reduzieren, war ein wichtiger Schritt, um eine ökologisch vertretbare Skalierung zu ermöglichen.“
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