SI/502268

Schlussbericht

Die erfolgreiche Umsetzung des vom Schweizer Bundesrat festgelegten Netto-Null-Ziels erfordert eine rasche Entwicklung energieeffizienter Technologien zur CO2-Abscheidung. Dieses Projekt basiert auf einer neuartigen zweidimensionalen (2D) Membrantechnologie der EPFL, die atomar dünne, poröse Graphenfilme (PG) als CO2-selektive Schicht nutzt. Ziel des Projekts ist die Skalierung dieser Technologie auf Metermaßstab sowie der Nachweis einer CO2-Abscheidung von 1 kg pro Tag. Im Verlauf des Projekts wurden mehrere wesentliche Innovationen eingeführt, die zu einer deutlichen Reduktion der Herstellungskosten von PG-Membranen führten, eine homogene Porenbildung über große Flächen ermöglichten und die Herstellung großflächiger Membranen mit attraktiver Leistungsfähigkeit erlaubten. Es wurde erfolgreich ein skalierter Reaktor in Betrieb genommen, der die Synthese von Graphen im Metermaßstab in einem einzigen Prozessschritt ermöglicht. Darüber hinaus wurde ein weiterer skalierter Reaktor zur kontrollierten Oxidation von Graphen entwickelt, mit dem sich hochdichte Poren im Ångström-Bereich für die CO2-Trennung erzeugen lassen. Dieser Reaktor erlaubt insbesondere die Herstellung von Proben mit Flächen bis zu 500 cm2. Wir zeigen, dass der Stofftransport des Oxidationsmittels entscheidend für eine gleichmäßige Oxidation großflächiger Graphenfilme ist. Zudem wurden Cross-Flow-Module für die Verarbeitung von Membranen unterschiedlicher Größen (1, 10, 100 und 500 cm2) entwickelt und erfolgreich validiert. Die Rissbildung während des Graphentransfers, die bislang die Reproduzierbarkeit einschränkte, konnte durch ein neuartiges Verfahren eliminiert werden, das auf empfindliche Floating- und Handhabungsschritte verzichtet. Dadurch ist die Herstellung hochleistungsfähiger Graphenmembranen mit nahezu 100% Erfolgsrate möglich. Insgesamt konnte die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Membranherstellung deutlich verbessert werden. Abschließend wurde ein zweistufiger Membranprozess entwickelt und optimiert, mit dem eine CO2-Reinheit von 95% sowie eine Rückgewinnungsrate von 90% erreicht werden. Eine zweistufige Pilotanlage wurde an der EPFL in Betrieb genommen und zeigte eine langfristig stabile Leistung der Graphenmembranen unter simulierten Rauchgasbedingungen. In Zusammenarbeit mit GAZNAT konnte zudem die Stabilität der Graphenmembranen bei der Trennung von CO2 aus realem Rauchgas erfolgreich nachgewiesen werden.