Herstellung und Charakterisierung kostengünstiger chemisch aktivierter Kohlenstoffe mit H3PO4, ZnCl2 und KOH für CO2-Adsorptionsanwendungen

Aus Abfallholz werden Klimahelfer

Steigende Kohlendioxid- (CO2-)Werte sind einer der Haupttreiber der globalen Erwärmung, und ein großer Teil dieses Gases stammt aus Kraftwerken und Fabriken, die fossile Brennstoffe verbrennen. CO2 zu erfassen, bevor es in die Atmosphäre gelangt, ist ein vielversprechender Weg, den Klimawandel zu bremsen, doch aktuelle Methoden verwenden häufig teure oder korrosive Flüssigkeiten. Diese Studie untersucht eine einfachere Idee: die Umwandlung von geringwertigem Persischem Eisenholz, einem in Nordiran weit verbreiteten Baum, in hochporöse, kohleartige Materialien, die CO2 effizient und kostengünstig binden können.

Vom Forstnebenprodukt zur konstruierten Kohle

Die Forschenden begannen mit Parrotia persica-Holz, das in den hyrcanischen Wäldern reichlich wächst, aber geringen kommerziellen Wert hat. Nach Reinigung und Zerkleinerung erhitzten sie das Holz in Abwesenheit von Sauerstoff, um es in einen kohlenstoffreichen Feststoff zu verwandeln, und behandelten es anschließend mit drei verschiedenen Chemikalien: einer starken Säure (Phosphorsäure), einem Zinksalz (Zinkchlorid) und einer starken Base (Kaliumhydroxid). Jede Chemikalie reagiert beim Erhitzen unterschiedlich mit den natürlichen Polymeren des Holzes, schafft ein Netzwerk winziger Poren und beeinflusst, wie viel Oberfläche für Gasadsorption zur Verfügung steht. Durch Variation der eingesetzten Chemikalienmengen und der Erhitzungstemperatur erzeugten sie eine Reihe aktivierter Kohlenstoffe mit unterschiedlichen Porenstrukturen.

Kleine Hohlräume gezielt für CO2 entwerfen

Warum sind Poren wichtig? Die Gasbindung an Feststoffen beruht darauf, dass Gasmoleküle durch schwache elektrostatische Kräfte an Oberflächen haften. Je größer die innere Oberfläche und je passender die Porengrößen eines Materials sind, desto mehr Moleküle kann es aufnehmen. Das Team bestimmte Porengrößen und Oberfläche mit Stickstoffgas und Mikroskopie. Zinkchlorid erzeugte die höchste Oberfläche—etwa 1.925 Quadratmeter pro Gramm, vergleichbar damit, einen Tennisplatz auf einem Zuckerwürfel zu entfalten. Phosphorsäure dagegen schuf Kohlenstoffe mit besonders großem Porenvolumen und einer Mischung aus ultrakleinen und etwas größeren Poren sowie vielen sauerstoffhaltigen Oberflächenfunktionen. Diese chemischen Merkmale verstärken die Wechselwirkung mit CO2, das eine leichte elektrische Ungleichmäßigkeit aufweist und zu polaren oder basischen Stellen an der Kohleoberfläche hingezogen wird.

Wie gut fangen diese Sorbentien CO2?

Die Forschenden prüften die CO2-Aufnahme bei Drücken bis zu 14 bar und in der Nähe der Raumtemperatur, Bedingungen, die denen in industriellen Abgasströmen ähneln. Alle Proben zeigten die stärkste CO2-Aufnahme bei niedrigeren Temperaturen, was zu einem physikalischen „Haft“-Prozess passt: Wenn sich Gasmoleküle erwärmen, bewegen sie sich schneller und bleiben seltener gebunden. Unter den Materialien erreichte der mit dem höchsten Behandlungsverhältnis hergestellte, phosphorsäureaktivierte Kohlenstoff (bezeichnet als ACH3) die beste CO2-Kapazität bei 1 bar und 25 °C und übertraf damit das Zinkchlorid-Produkt leicht, obwohl letzteres eine geringfügig größere Oberfläche hatte. Dieser Vorsprung resultierte aus dem größeren Porenvolumen und der reicheren Oberflächenchemie. Die Analyse der während der Adsorption freigesetzten Wärme bestätigte, dass CO2 hauptsächlich durch physikalische Kräfte gehalten wurde und nicht durch die Bildung neuer chemischer Bindungen—wichtig, weil sich das Material so mit moderater Erwärmung regenerieren und vielfach wiederverwenden lässt.

CO2 von gewöhnlichen Luftbestandteilen trennen

CO2 aus Rauchgasen zu erfassen bedeutet nicht nur, wie viel ein Material aufnehmen kann, sondern auch, wie stark es CO2 gegenüber anderen Gasen wie Stickstoff (N2), dem Hauptbestandteil der Luft, bevorzugt. Durch Kombination von Messungen des Verhaltens jedes Gases an den Kohlenstoffen mit einer etablierten Vorhersagetheorie schätzte das Team, wie selektiv die Materialien CO2 aus einem CO2/N2-Gemisch adsorbieren würden. Sowohl die phosphorsäure- als auch die zinkchloridaktivierten Kohlenstoffe zeigten eine starke Selektivität und bevorzugten CO2 gegenüber N2 um etwa den Faktor 20 bei atmosphärischem Druck. Die auf Kaliumhydroxid basierende Probe war weniger selektiv, vermutlich weil ihr Porennetz gröber geätzt und teilweise blockiert war, sodass weniger ideal dimensionierte Stellen für CO2 vorhanden waren. Wichtig ist, dass alle am besten abschneidenden Kohlenstoffe über mehrere Adsorptions–Desorptionszyklen hinweg nahezu konstante Leistung zeigten, was darauf hindeutet, dass sie wiederholtem Einsatz in realen Systemen standhalten könnten.

Was das für die zukünftige CO2-Abscheidung bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernaussage klar: Ein geringwertiges Forstnebenprodukt kann zu einem fein abgestimmten, schwammartigen Kohlenstoff aufgewertet werden, der CO2 effizient einfängt, CO2 stark gegenüber Stickstoff bevorzugt und mehrfach wiederverwendbar ist. Unter den getesteten Verfahren lieferten Phosphorsäure- und Zinksaltbehandlungen von Persischem Eisenholz besonders vielversprechende Materialien, die hohe Oberfläche, gut passende Porengrößen und günstige Oberflächenchemie in Einklang bringen. Zwar müssen die Vorhersagen zum Verhalten von Gasgemischen noch in großtechnischen Durchflussversuchen überprüft werden, doch die Arbeit zeigt, dass sorgfältig gestaltete „Holzkohle“ aus lokaler Biomasse ein praktisches, kostengünstiges Werkzeug sein könnte, um industrielle Treibhausgasemissionen zu reduzieren.

Zitation: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

Schlüsselwörter: Kohlenstoffabscheidung, aktivierte Kohle, Biomasse, CO2-Adsorption, poröse Materialien