NSF-DFG MISSION: Entschlüsselung des Kohlendioxid-Transports in substrat-getragenen dünnen Polyaminfilmen zur Kohlenstoffabscheidung

• Antragsteller: Dr. Martin Tress
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542213730

Das übergreifende Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines neuen elektrochemischen Systems zur in-situ-Beobachtung von Kohlendioxid(CO2)-diffusion in dünnen substrat-getragenen Polyaminfilmen zum Kohlenstoffeinfang. Mesoporöse substrat-getragene Polyamin-Systeme (MSPAs) bestehend aus ~10 nm dicken Polyaminfilmen sind eines der vielversprechendsten Systeme zur CO2-Rückgewinnung aus der Luft. Nachteilig sind jedoch insbesondere ihre geringe Amin-Effizienz sowie langsame Ad- und Desorptions-Kinetik, die derzeit ihre Skalierung und Kommerzialisierung verhindern. Als Ursache dieser Nachteile werden oft chemische oder physikalische Veränderungen afgrund von CO2-Adsorption vermutet. Allerdings ist die Charakterisierung solcher Veränderungen noch mangelhaft, so dass noch kein klares Verständnis des CO2-Transports und der CO2-Adsorptions-Leistung von MSPAs besteht. Hier soll nun eine neue Plattform zur Quantifizierung von CO2-Adsorptions-induzierten Veränderungen in substrat-getragenen Polyaminfilmen entwickelt werden, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den räumlichen Gradienten von Polyamindynamik und CO2-Diffusion liegt. Dies baut auf der kürzlichen Entwicklung der Nano-Breitbandigen Dielektrischen Spektroskopie (Nano-BDS) sowie auf dem wachsenden theoretischen Verständnis des Zusammenhangs zwischen Gastransport in Polymermembranen und der Segmentdynamik des Polymers auf. Drei Aufgaben wurden zum Erreichen des übergreifenden Ziels formuliert: 1. Entwicklung einer neuen Nano-BDS Plattform zur in-situ Beobachtung von räumlichen Gradienten der Polyamin-Dynamik bzw. der CO2-Diffusivität in substrat-getragenen dünnen Polyaminfilmen. 2. Quantifizierung der Beiträge von Schlüsselparametern der CO2-Rückgewinnungs-Leistung von MSPAs. 3. Prüfung von existierenden Modellen des CO2-Transports in Polymeren (insbesondere Polyaminen) sowie, ggf. deren Verfeinerung oder Neuentwicklung. Besonders der Einfluss der Grenzfläche und dessen Zusammenspiel mit CO2-Adsorptions-induzierten chemischen Veränderungen auf die CO2-Transporteigenschaften. Außerdem soll die Rolle von Schlüsselparametern im Design, etwa Art des Amins, Amin-Konzentration, Filmdicke und Polyamin-Substrat-Wechselwirkungen bestimmt werden, um zukünftige MSPAs zu optimieren. So sollen die Ergebnisse konkrete Orientierung bei der Entwicklung neuer Herstellungsprotokolle für oder der Formulierung neuartiger Designs von Polyaminsystemen der nächsten Generation bieten, um die Effizienz von adsorptionsbasierten Methoden zur CO2-Rückgewinnung aus der Luft zu erhöhen sowie deren Kosten zu senken. Mit der Nano-BDS-Plattform soll dabei ein breit einsetzbares Werkzeug zur präzisen strukturellen und dynamischen Quantifizierung eingeführt werden. Darüber hinaus werden Aspekte addressiert, die auch in weiteren Wissenschaftsfeldern von Relevanz sind wie etwa Stofftrennung, Wirkstoffverteilung und Sensortechnologie sowie überall wo Gast-Diffusion, Separation und Übertragung eine entscheidende Rolle spielt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Shiwang Cheng, Ph.D.