Skalierbare Graphenmembrane: ein Fortschritt für die Kohlenstoffabscheidung
Die Abscheidung von Kohlendioxid (CO₂) aus Industrieemissionen ist entscheidend für den Kampf gegen den Klimawandel. Doch die derzeitigen Methoden, wie die chemische Absorption, sind teuer und energieintensiv. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben Graphen – ein atomar dünnes, ultrastarkes Material – schon lange als vielversprechende Alternative für die Gastrennung ins Auge gefasst, aber die Herstellung grossflächiger, effizienter Graphenmembrane war eine Herausforderung.
Nun hat ein Team der EPFL unter der Leitung von Professor Kumar Agrawal, Leiter des Gaznat-Lehrstuhls für fortgeschrittene Trennverfahren, eine skalierbare Technik zur Herstellung poröser Graphenmembranen entwickelt, die selektiv CO₂ aus Gasgemischen filtern. Ihr Ansatz senkt die Produktionskosten bei gleichzeitiger Verbesserung der Membranqualität und -leistung und ebnet so den Weg für praktische Anwendungen bei der Kohlenstoffabscheidung und darüber hinaus.
Graphenmembranen eignen sich hervorragend zur Trennung von Gasen, da sie genau die richtige Porengrösse haben, um CO₂ durchzulassen und gleichzeitig grössere Moleküle wie Stickstoff zu blockieren. Das macht sie ideal für die Abscheidung von CO₂-Emissionen aus Kraftwerken und industriellen Prozessen. Doch die Sache hat einen Haken: Die Herstellung dieser Membranen in einem sinnvollen Massstab war bisher schwierig und kostspielig.
Die meisten bestehenden Verfahren stützen sich auf teure Kupferfolien, um das für die Membranen benötigte hochwertige Graphen zu züchten, und erfordern heikle Handhabungstechniken, bei denen häufig Risse entstehen, die die Effizienz der Membranen verringern. Die Herausforderung bestand darin, einen Weg zu finden, grosse, qualitativ hochwertige Graphenmembranen auf kostengünstige und reproduzierbare Weise herzustellen.
Das EPFL-Team ging diese Herausforderungen frontal an. Zunächst entwickelten sie eine Methode, um hochwertiges Graphen auf kostengünstigen Kupferfolien zu züchten und so die Materialkosten drastisch zu senken. Dann verfeinerten sie ein chemisches Verfahren, bei dem Ozon (O₃) verwendet wird, um winzige Poren in das Graphen zu ätzen, die eine hochselektive CO₂-Filtration ermöglichen. Entscheidend ist, dass sie die Wechselwirkung des Gases mit dem Graphen verbessert haben, um eine gleichmässige Porenbildung über grosse Flächen zu gewährleisten – ein wichtiger Schritt in Richtung industrieller Skalierbarkeit.
Um das Problem der Zerbrechlichkeit der Membran zu lösen, führten die Forschenden auch eine neuartige Transfertechnik ein. Anstatt den empfindlichen Graphenfilm auf einen Träger zu schwimmen, was häufig zu Rissen führt, entwickelten sie einen direkten Transferprozess innerhalb des Membranmoduls, der Probleme bei der Handhabung beseitigt und die Ausfallraten auf nahezu Null reduziert.
Mit ihrem neuen Ansatz gelang es den Forschenden, 50 cm² grosse Graphenmembranen – weit grösser als bisher möglich – mit nahezu perfekter Integrität herzustellen. Die Membranen wiesen eine aussergewöhnliche CO₂-Selektivität und eine hohe Gasdurchlässigkeit auf, d. h. sie lassen CO₂ effizient durch, während unerwünschte Gase blockiert werden.
Durch die Optimierung des Oxidationsprozesses konnten sie ausserdem die Dichte der CO₂-selektiven Poren erhöhen, was die Leistung weiter verbesserte. Computersimulationen bestätigten, dass die Verbesserung des Gasflusses durch die Membran eine entscheidende Rolle beim Erreichen dieser Ergebnisse spielte.
Eine Graphenmembrane, die CO2 von N2 trennt. 2025 EPFL/Ivan Savicev CC-BY-SA 4.0© 2025 EPFL
Dieser Durchbruch könnte das Spiel für die Kohlenstoffabscheidung verändern. Herkömmliche CO₂-Abscheidungstechnologien beruhen auf energieintensiven chemischen Prozessen, was sie für eine breite Anwendung komplex und teuer macht. Graphenmembranen hingegen benötigen keine Wärmezufuhr und arbeiten mit einer einfachen druckgesteuerten Filtration, was den Energieverbrauch erheblich reduziert.
Abgesehen von der Kohlenstoffabscheidung könnte diese Methode auch für andere Gastrennungsbedürfnisse eingesetzt werden, einschließlich der Wasserstoffreinigung und Sauerstoffproduktion. Mit ihrem skalierbaren Produktionsprozess und den kostengünstigen Materialien bringt die EPFL-Innovation die Graphenmembranen einen Schritt näher an die Marktreife.
