Wissenschaftler der Rice University in Houston (Texas) haben einen Weg gefunden, Holz so zu bearbeiten, dass es Kohlendioxid durch ein potenziell skalierbares, energieeffizientes Verfahren einfängt, was das Material auch für den Einsatz im Bauwesen stärker macht.
Baumaterialien wie Stahl oder Zement sind mit hohen Kosten verbunden, sowohl monetär als auch in Form von Kohlendioxidemissionen. Schätzungsweise 40 Prozent der Emissionen entfallen auf den Bau und die Nutzung von Gebäuden. Die Entwicklung nachhaltiger Alternativen zu bestehenden Materialien könnte dazu beitragen, den Klimawandel abzuschwächen und die Kohlendioxidemissionen zu verringern. Um beide Probleme gleichzeitig zu lösen, haben der Materialwissenschaftler Muhammad Rahman und seine Mitarbeiter einen Weg gefunden, Moleküle eines Kohlendioxid-einschließenden, kristallinen, porösen Materials in Holz einzubauen, wie eine in Cell Reports Physical Science veröffentlichte Studie zeigt. “Holz ist ein nachhaltiges, erneuerbares Strukturmaterial, das wir bereits in großem Umfang nutzen”, so Rahman. “Unser künstlich hergestelltes Holz wies eine höhere Festigkeit auf als normales, unbehandeltes Holz.” Um dies zu erreichen, wird das Netzwerk aus Zellulosefasern, das dem Holz seine Festigkeit verleiht, zunächst durch einen als Delignifizierung bezeichneten Prozess entfernt.
Delignifizierung des Holzes und Ersatz durch CALF-20
“Holz besteht aus drei wesentlichen Bestandteilen: Zellulose, Hemizellulose und Lignin”, sagte Rahman. “Das Lignin verleiht dem Holz seine Farbe. Wenn man das Lignin entfernt, wird das Holz farblos. Die Entfernung des Lignins ist ein recht einfacher Prozess, der eine zweistufige chemische Behandlung mit umweltfreundlichen Substanzen umfasst. Nachdem wir das Lignin entfernt haben, verwenden wir Bleichmittel oder Wasserstoffperoxid, um die Hemizellulose zu entfernen.
Anschließend wird das delignifizierte Holz in einer Lösung eingeweicht, die Mikropartikel eines metallorganischen Gerüsts (MOF) mit der Bezeichnung Calgary Framework 20 (CALF-20) enthält. MOFs sind Sorbentien mit großer Oberfläche, die Kohlendioxidmoleküle in ihren Poren adsorbieren können. “Die MOF-Teilchen passen leicht in die Zellulosekanäle und werden durch günstige Oberflächenwechselwirkungen mit ihnen verbunden”, sagte Soumyabrata Roy, ein Rice-Wissenschaftler und Hauptautor der Studie.
Anpassungsfähige Trägerplattform für den Einsatz von Sorptionsmitteln
MOFs sind eine von mehreren aufkommenden Technologien zur Kohlenstoffbindung, die entwickelt wurden, um dem anthropogenen Klimawandel entgegenzuwirken. “Zurzeit gibt es kein biologisch abbaubares, nachhaltiges Substrat für den Einsatz von Kohlendioxid-sorbierenden Materialien”, so Rahman. “Unser MOF-verstärktes Holz ist eine anpassungsfähige Trägerplattform für den Einsatz von Sorptionsmitteln in verschiedenen Kohlendioxid-Anwendungen”.
“Viele der vorhandenen MOFs sind unter verschiedenen Umweltbedingungen nicht sehr stabil”, so Roy. “Einige sind sehr feuchtigkeitsempfindlich, und das will man bei einem Strukturmaterial nicht.” CALF-20 jedoch, das von George Shimizu, Professor an der University of Calgary, und seinen Mitarbeitern entwickelt wurde, zeichnet sich laut Roy sowohl durch sein Leistungsniveau als auch durch seine Vielseitigkeit unter einer Vielzahl von Umweltbedingungen aus.
Analyse der wirtschaftlichen Rentabilität
“Die Herstellung von Baumaterialien wie Metallen oder Zement stellt eine bedeutende Quelle für industrielle Kohlenstoffemissionen dar”, so Rahman. “Unser Verfahren ist einfacher und ‘grüner’, sowohl in Bezug auf die verwendeten Stoffe als auch auf die bei der Verarbeitung entstehenden Nebenprodukte. Der nächste Schritt wäre die Festlegung von Sequestrationsprozessen sowie eine detaillierte wirtschaftliche Analyse, um die Skalierbarkeit und die wirtschaftliche Rentabilität dieses Materials zu verstehen”, fügte er hinzu.
Rahman ist Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Nanotechnologie an der George R. Brown School of Engineering von Rice. Roy ist Forschungswissenschaftler für Materialwissenschaft und Nanotechnik an der Rice School of Engineering. Shell Technologies und das UES-Air Force Research Laboratory unterstützten die Forschungsarbeiten.
