Der Durchbruch macht es plötzlich einfacher, ein Gas aufzuteilen und zu speichern

15. Juli 2022

Ellen Phiddian ist Wissenschaftsjournalistin bei Cosmos. Sie hat einen BSc (Honours) in Chemie und Wissenschaftskommunikation sowie einen MSc in Wissenschaftskommunikation, beide von der Australian National University.

Jeder, der schon einmal einen Ballon abgebunden hat, weiß, wie schwierig es ist, ein Gas zu speichern. Es erfordert viel mehr Energie und Aufwand, dies in großem Maßstab zu erreichen, was viele Menschen in der Energiebranche ernsthaft verärgert. Das Aufkommen von Wasserstoff als Brennstoff und Kohlenstoffabscheidung wird dieses Problem nur noch deutlicher machen.

Noch schwieriger ist die Trennung von Gasgemischen – wie den verschiedenen kohlenstoffbasierten Gasen, die beim Abbau und der Raffinierung fossiler Brennstoffe entstehen. Zum Trennen und Speichern ist die Industrie in der Regel darauf angewiesen, Gase abzukühlen, bis sie flüssig werden. Dies ist ein energie- und ressourcenintensiver Prozess.

Doch ein Durchbruch australischer Forscher könnte dies ändern. Ihre Methode funktioniert bei Raumtemperatur und -druck und erfordert nur wenig Bornitrid – und einige Kugellager.

Bisher haben die Forscher gezeigt, dass es verschiedene Arten von Kohlenwasserstoffgasen wie Methan und Acetylen trennen und dann sauber und effizient speichern kann. Es könnte auch für Wasserstoff oder möglicherweise Kohlendioxid funktionieren.

Die Technik verwendet eine Verbindung namens Bornitrid, die (wenig überraschend) aus Bor und Stickstoff besteht. Das Bornitridpulver wird mit dem oder den gewünschten Gasen in eine Kugelmühle – ein rotierendes Mahlwerk – gegeben.

„Als wir diese Kohlenwasserstoffe zum ersten Mal in das Bornitrid einbrachten, verschwand das Gas vollständig“, sagt Dr. Srikanth Mateti, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institute for Frontier Materials der Deakin University.

Das Ergebnis war so ungewöhnlich, dass Mateti und seine Kollegen es mehrmals wiederholen mussten, bevor sie überzeugt waren, dass es sich nicht um einen Fehler handelte.

„Dann haben wir es noch einmal 20, 30 Mal versucht. Warum geschah das? War es das Experiment oder ein Gasleck, war es nicht gut abgedichtet? Wir haben jeden Parameter optimiert und es verhielt sich immer noch gleich.“

Die Forscher erkannten, dass ihr Bornitrid sich sehr gut an einige Gase binden kann. Die Gase, an die es bindet, sind Verbindungsklassen, die „Olefine“ und „Alkine“ genannt werden – Acetylen, ein üblicher Brennstoff, ist eine Art Alkin.

Sie konnten einen chemischen Grund dafür herausfinden.

„Die Elektronenkonfiguration des Stickstoffs und die Konfiguration bestimmter Gasmoleküle – sie stimmen überein“, sagt Mateti.

Die Kombination aus Bornitrid und der Kugelmühle erzeugt eine mechanochemische Reaktion, die Olefin- und Alkingase in das Pulver absorbiert. Aber es ignoriert andere Gase – wie Methan.

Dadurch lässt sich ein Gemisch aus chemisch sehr ähnlichen Methan und Acetylen problemlos trennen. Dies bedeutet auch, dass Acetylen in Pulverform sicher von Ort zu Ort transportiert werden kann.

Beim Erhitzen des Pulvers im Vakuum wird das Gas wieder freigesetzt.

Das Bornitrid-Pulver ist wiederverwendbar. Der gesamte Prozess ist sehr energieeffizient: Für die Speicherung von 1.000 Litern Gas werden nur etwa 80 Kilojoule pro Sekunde benötigt.

Während die Forscher gezeigt haben, dass dies für Acetylen und Ethylen funktioniert, sind sie zuversichtlich, dass es auch für die Speicherung anderer Gase – wie Wasserstoff oder Kohlendioxid – adaptiert werden könnte.

„Daran arbeiten wir“, sagt Mateti.

Er sagt, dass das System auch zur Trennung und Entfernung von Kohlenstoffverunreinigungen aus Wasserstoff vor seiner Verwendung in Brennstoffzellen geeignet wäre. „Wenn Wasserstoff nicht rein ist, zerstört er die Brennstoffzelle. Sie benötigen also eine Art Reinigungssystem. Sie können unsere nutzen.“

Den Forschern ist es in ihrem Labor problemlos gelungen, ein paar Liter Gas abzutrennen. Da es sich um eine gängige industrielle Methode handelt, sollte es sich leicht skalieren lassen.

„Wir müssen nur einige Parameter optimieren – Kochrezepte“, sagt Mateti. „Zum Beispiel der Inhalt der Gase und wie viel Material Sie benötigen, wie viel Mahlen in der Kugelmühle.“

Sie haben einen vorläufigen Patentantrag für das Verfahren eingereicht und wollen es im industriellen Maßstab testen.

Ein Artikel, der ihre Entdeckung beschreibt, ist in Materials Today veröffentlicht.

Ursprünglich von Cosmos veröffentlicht als „Ein radikal anderer Ansatz zur Speicherung und Aufteilung von Gas“.

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