Poröse Struktur­analyse von aus Kokosnussschalen gewonnenen Aktivkohle­materialien, hergestellt unter unterschiedlichen Bedingungen

Kokosnussschalen als Helfer gegen den Klimawandel

Während die Welt nach Wegen sucht, den Klimawandel zu bremsen, ist eine vielversprechende Strategie, Kohlendioxid (CO₂) direkt aus der Luft oder aus industriellen Abgasen zu entfernen. Diese Studie zeigt, wie etwas Alltägliches wie entsorgte Kokosnussschalen in hocheffiziente „Schwämme“ für CO₂ verwandelt werden kann und wie die Feinabstimmung der Herstellungsbedingungen einen großen Einfluss auf deren Leistungsfähigkeit hat.

Warum Poren entscheidend für das Einfangen von Gas sind

Feststoffe, die CO₂ aufnehmen, funktionieren ähnlich wie ultrafeine Schwämme: Je mehr winzige Löcher bzw. Poren sie enthalten, desto mehr Gas können sie speichern. Aktivkohle wird bereits breit eingesetzt, weil sie eine enorme innere Oberfläche in diesen Poren verbirgt. Die Autoren konzentrierten sich darauf, solche Kohlenstoffe für die CO₂-Abscheidung zu verbessern, indem sie Stickstoffatome an ihrer Oberfläche einbrachten. Stickstoffhaltige Gruppen ziehen tendenziell saure Gase wie CO₂ an, sodass die Kombination der richtigen Chemie mit einem optimierten Porennetz die Leistung deutlich steigern kann.

Von der Kokosnussschale zum High‑Tech‑Material

Ausgangspunkt dieser Arbeit ist die Kokosnussschale, ein preiswertes und reichlich vorhandenes landwirtschaftliches Nebenprodukt. Die Schalen wurden gereinigt, zerkleinert und zunächst in Stickstoff erhitzt, um ein Basiskohlenstoffmaterial zu bilden. Es folgte ein „Ammoxidations“-Schritt, bei dem der Kohlenstoff mit einer Mischung aus Ammoniak und Luft behandelt wurde, sodass stickstoffhaltige Gruppen auf seiner Oberfläche entstanden. Schließlich wurde das Material bei hoher Temperatur mit Kaliumhydroxid (KOH) aktiviert, wodurch ein Labyrinth von Poren herausgeätzt wird. Durch Variation der Aktivierungstemperatur (600, 650 oder 700 °C) und des Massenverhältnisses zwischen Kohlenstoff und KOH erzeugten die Forschenden eine Reihe von Kohlenstoffen mit subtil unterschiedlichen Porenstrukturen und Oberflächeneigenschaften.

Blick ins unsichtbare Porennetz

Da diese Poren viel zu klein sind, um sie direkt zu sehen, nutzte das Team Gasadsorptionsmessungen: Sie zeichneten auf, wie viel Stickstoffgas die Kohlenstoffe bei sehr niedrigen Temperaturen und unterschiedlichen Drücken aufnehmen können. Aus diesen Kurven wendeten sie drei fortgeschrittene Analysetools an, die über ältere, vereinfachte Methoden hinausgehen. Eines, genannt LBET, interpretiert, wie sich Schichten und Cluster von Gasmolekülen innerhalb der Poren aufbauen, und liefert einen Index dafür, wie homogen beziehungsweise heterogen die Oberfläche ist. Die anderen beiden, QSDFT und NLDFT, nutzen moderne statistische Physik, um zu rekonstruieren, wie viele Poren welcher Größe vorhanden sind. QSDFT ist darauf ausgelegt, besser mit den rauen, chemisch vielfältigen Oberflächen typischer realer Kohlenstoffe zurechtzukommen und Artefakte zu vermeiden, die Designer in die Irre führen können.

Das optimale Gleichgewicht der Herstellungsbedingungen finden

Beim Vergleich aller Proben zeigte die Studie, dass sowohl die Aktivierungstemperatur als auch die Menge an KOH das finale Porennetz stark beeinflussen. Kohlenstoffe, die bei niedrigerer Temperatur oder mit zu wenig Aktivator hergestellt wurden, wiesen weniger und schlechter zugängliche Mikroporen auf, was die Gasaufnahme begrenzte. Mit steigender Behandlungstemperatur und höherem KOH‑Verhältnis stiegen die innere Oberfläche und das Mikroporenvolumen deutlich an. Besonders leistungsfähig waren Materialien, die bei 700 °C mit mittleren KOH‑Verhältnissen aktiviert wurden (bezeichnet als NC-700-3 und NC-700-4). Diese wiesen extrem hohe innere Oberflächen, große Volumina der kleinsten Poren — die am effektivsten für die CO₂‑Erfassung sind — und vor allem sehr uniforme Oberflächen auf, sodass Gasmoleküle überall ähnliche Bedingungen antreffen.

Was das für die künftige CO₂‑Abscheidung bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die zentrale Botschaft: Nicht alle „Aktivkohle“-Materialien sind gleich. Durch sorgfältiges Abstimmen der Behandlung von Kokosnussschalen — insbesondere der Aktivierungstemperatur und des chemischen Verhältnisses — und durch die Anwendung realistischerer Analysewerkzeuge identifizierten die Autorinnen und Autoren Bedingungen, die ein fein abgestimmtes Porennetz für die CO₂‑Aufnahme erzeugen. Ihre besten Materialien kombinieren dichte Populationen sehr kleiner Poren mit gleichmäßigem Oberflächenverhalten und sind damit vielversprechende Kandidaten für kostengünstige, biobasierte Filter in künftigen Kohlenstoffabscheidungssystemen.

Zitation: Kwiatkowski, M., Hu, X. Porous structure analysis of coconut shell–derived activated carbons prepared under different conditions. Sci Rep 16, 10220 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39432-4

Schlüsselwörter: CO2-Abscheidung, Aktivkohle, Kokosnussschale, poröse Materialien, Stickstoffdotierung