Verbesserung der CO2-Abscheidung im Nachverbrennungsprozess durch mit Aminosäuren modifizierten Aktivkohle

Die Luft reinigen, nachdem Brennstoff verbrannt wurde

Kohlendioxid aus Kraftwerken ist ein wesentlicher Treiber der globalen Erwärmung, dennoch stammt ein großer Teil unserer Elektrizität weiterhin aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. Eine praktikable Möglichkeit, diese Emissionen zu reduzieren, besteht darin, CO2 aus den heißen Abgasen einzufangen, bevor es in die Atmosphäre entweicht. Diese Studie untersucht, wie ein übliches, relativ kostengünstiges Material — Aktivkohle — besser darin gemacht werden kann, CO2 aufzunehmen, indem seine Oberfläche schonend mit einfachen Bausteinen von Proteinen, den Aminosäuren, beschichtet wird.

Gewöhnliche Kohle in einen besseren Schwamm verwandeln

Aktivkohle wird bereits in Wasserfiltern und Luftreinigern eingesetzt, weil sie voller kleiner Poren ist, die wie ein Schwamm für Moleküle wirken. Für die Nachverbrennungsabscheidung in Kraftwerken muss ein ideales Material auch bei niedrigen CO2-Konzentrationen und erhöhten Temperaturen viel CO2 aufnehmen können und dabei stabil sowie leicht wiederverwendbar bleiben. Die Forschenden begannen mit kommerzieller Aktivkohle und verglichen deren natürliche Fähigkeit, CO2 zu adsorbieren — „adsorbieren“ bedeutet hier, dass Moleküle an der Oberfläche haften, statt chemisch zu reagieren. Sie bestätigten, dass das Material bei Raumtemperatur mehrere Millimol CO2 pro Gramm aufnehmen kann, diese Kapazität jedoch bei steigender Temperatur stark abnimmt, ein typisches Zeichen für physikalisches Haften statt starker chemischer Bindung.

Sanfte Griffe für Kohlendioxid hinzufügen

Um die Leistung zu steigern, modifizierte das Team die Kohlenstoffoberfläche mit drei Aminosäuren: Glycin, Serin und Lysin. Diese kleinen organischen Moleküle sind stickstoffreich, ein Atomsymbol, das dafür bekannt ist, stärker mit CO2 zu interagieren. Die Aktivkohle wurde in Lösungen mit jeweils einer Aminosäure, manchmal zusammen mit einfachen alkalischen Salzen, eingelegt, dann gespült und getrocknet. Bei Tests nahmen die mit Glycin und Serin beschichteten Proben im Allgemeinen mehr CO2 auf als das Ausgangsmaterial, während Lysin die Leistung häufig verschlechterte, besonders in Kombination mit zusätzlichen Salzen. Glycin fiel besonders positiv auf: Trotz seiner geringen Größe steigerte es die CO2-Aufnahme um bis zu etwa 25 Prozent, ohne die Fähigkeit des Materials zu beeinträchtigen, Stickstoff aufzunehmen — ein wichtiges Begas in Abgasströmen.

Das richtige Gleichgewicht bei den Behandlungsbedingungen finden

Da eine Überladung der Kohle mit Modifikatoren die Poren verstopfen kann, variierten die Forschenden sorgfältig Temperatur, Behandlungsdauer und Glycin-Konzentration und analysierten die Ergebnisse mittels statistischer Versuchsplanung. Sie fanden heraus, dass ein mittleres Rezept — moderate Temperatur, einige Stunden Behandlung und ein mittlerer Glycin‑Gehalt — die beste CO2-Abscheidung lieferte. Mikroskopie- und Gasadsorptionsmessungen zeigten, dass die modifizierte Kohle nahezu die gleiche Oberfläche und Porengrößenverteilung wie das Ausgangsmaterial behielt, was darauf hindeutet, dass Glycin hauptsächlich die Innenwände verzierte, statt Durchgänge zu blockieren. Infrarot‑ und Röntgentests bestätigten das Auftreten neuer, stickstoff‑ und sauerstoffhaltiger Gruppen an der Oberfläche, während das zugrunde liegende Kohlenstoffgerüst weitgehend unverändert blieb.

Wie sich das verbesserte Material verhält

Durch Messungen, wie CO2 und Stickstoff bei verschiedenen Temperaturen an dem Material haften, schätzte das Team die bei der Adsorption freigesetzte Wärme. Diese Werte lagen im Bereich typischer physikalischer Wechselwirkungen, nicht dauerhafter chemischer Reaktionen, waren aber bei der glycinbehandelten Kohle deutlich stärker als bei der Rohprobe. Das bedeutet, dass CO2 fester gehalten wird, was die höhere Kapazität erklärt, gleichzeitig sollte es weiterhin möglich sein, das Gas durch mäßiges Erhitzen oder Druckänderungen wieder freizusetzen. Die modifizierte Kohle zeigte zudem eine gute thermische Stabilität bis zu Temperaturen, die deutlich über denen liegen, die üblicherweise in Nachverbrennungsabscheidungssystemen vorkommen, was darauf hindeutet, dass sie viele Absorptions‑Freisetzungs‑Zyklen überstehen könnte.

Welche Bedeutung das für Kraftwerks‑Emissionen haben könnte

Vereinfacht gesagt zeigt die Arbeit, dass eine leichte Ausstattung von Aktivkohle mit einer einfachen Aminosäure ein handelsübliches Filtermaterial in einen selektiveren und stärkeren „Magneten“ für CO2 verwandeln kann. Glycin bietet das beste Verhältnis: Seine geringe Größe erlaubt es, die Porenwände mit zusätzlichen Griffpunkten zu versehen, ohne sie zu verstopfen, sodass mehr CO2‑Moleküle eingefangen und wiederholt freigegeben werden können. Zwar arbeitet das Material weiterhin am besten bei geringeren Temperaturen, doch könnten clevere Wärmeaustausch‑Strategien in realen Anlagen helfen, die Abgase genügend abzukühlen, um diesen verbesserten Schwamm zu nutzen. Zusammen deuten diese Ergebnisse auf kostengünstige, anpassbare Sorbentien hin, die in bestehende Anlagen nachgerüstet werden könnten, um Treibhausgasemissionen zu senken, ohne das gesamte Energiesystem umzubauen.

Zitation: Houshmand, D., Rashidi, F., Amjad-Iranagh, S. et al. Enhancement of CO₂ capture in post combustion process using actived carbon modified by amino acids. Sci Rep 16, 10569 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44400-z

Schlüsselwörter: CO2-Abscheidung, Aktivkohle, Aminosäuren, Nachverbrennung, CO2-Adsorption