2025

Comparative analysis of industrialization potentials of direct air capture technologies
publication by R. Koch, D. Dittmeyer, Front. Clim., (2025)

• Dieses Paper vergleicht vier Direct Air Carbon Capture-Technologien – alkalisches Gaswäscheverfahren, temperatur- und vakuumbasierte Adsorption, elektro-swing Adsorption und beschleunigte Verwitterung – hinsichtlich ihres Potenzials für eine industrielle Skalierung unter Berücksichtigung von Kriterien wie Energiebedarf, Kosten, Wasser- und Flächenverbrauch, Materialien, Abfallaufkommen und Technologie-Reifegrad. Mithilfe eines Multi-Kriterien-Entscheidungsmodells (PROMETHEE II) zeigt die Studie, dass die elektro-swing Adsorption zwar das größte Potenzial aufweist, allerdings mit erheblichen Unsicherheiten in Bezug auf Skalierbarkeit, Materialverfügbarkeit und Betrieb unter realen Bedingungen behaftet ist, während die anderen Technologien – insbesondere TVSA und AWCC – robuster, aber energieintensiver und flächenaufwändiger sind. Die Autoren betonen, dass kein Verfahren alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt, und argumentieren, dass eine Kombination technologie- und standortangepasster Systeme wahrscheinlich die effektivste Lösung für den Hochlauf von DACC sein wird. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und zeigt, wie techno-ökonomische Bewertungsverfahren zur realistischen Einschätzung der Skalierbarkeit und Betriebsfähigkeit von Direct Air Capture-Technologien beitragen können.

2024

Data-Driven Innovation in Metal-Organic Frameworks Photocatalysis: Bridging Gaps for CO₂ Capture and Conversion with FAIR Principles
publication by C. Bizzarri, M. Tsotsalas, Advanced Energy and Sustainability Research (2024)

• Dieses Paper diskutiert, wie metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) gezielt für die CO₂-Abscheidung und -Umwandlung durch Photokatalyse eingesetzt werden können und argumentiert, dass Fortschritte in diesem Bereich durch die Einführung standardisierter Messprotokolle sowie durch eine offene, FAIR-konforme Dateninfrastruktur entscheidend beschleunigt werden können, wobei insbesondere der Aufbau einer global zugänglichen MOF-Datenbank mit automatisierter Datenauslese mittels KI-gestützter Sprachmodelle vorgeschlagen wird. Die Autor*innen zeigen, dass MOFs sich aufgrund ihrer strukturellen Anpassungsfähigkeit besonders für die Nutzung von Sonnenenergie zur CO₂-Reduktion eignen, gleichzeitig aber der Vergleich und die Weiterentwicklung geeigneter Materialien durch uneinheitliche Berichterstattung und fehlende Datenintegration erschwert wird. Durch die Verbindung von experimenteller Forschung, maschinellem Lernen und automatisierter Literaturauswertung wird ein neuer methodischer Rahmen skizziert, der die Entwicklung leistungsfähiger MOFs für die CO₂-Umwandlung systematisch unterstützt. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und beschreibt, wie datengetriebene Materialienwicklung, FAIR-Prinzipien und KI-gestützte Analyseansätze eine schnellere Identifikation und Optimierung von MOFs für Direct Air Capture ermöglichen.

Criteria for effective site selection of direct air capture and storage projects
publication by F. Harzendorf, T. Markus, A. Ross, R. Valencia Cotera, C. Baust, S. Vögele, D. Taraborrelli, P. Zapp, V. A. Karydis, P. Bowyer, and D. Stolten, Environmental Research Letters (2024)

• Dieses Paper entwickelt ein umfassendes Kriterien-Set zur Standortbewertung von Direct Air Carbon Capture and Storage (DACCS)-Projekten, das nicht nur technische Aspekte wie CO₂-Speicherung und Energieinfrastruktur, sondern auch rechtliche, soziale, ökologische und ökonomische Faktoren systematisch berücksichtigt, um eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Auswahl geeigneter Standorte zu schaffen. Anhand hypothetischer Fallbeispiele wird gezeigt, wie unterschiedliche Akteursgruppen – etwa Regierungen oder Investoren – je nach Zielsetzung verschiedene Kriterien priorisieren und daraus teils widersprüchliche Anforderungen entstehen können, was für eine gelungene Standortwahl besondere regulatorische, planerische und kommunikative Strategien erforderlich macht. Die Autor*innen schlagen politische und rechtliche Instrumente vor, mit denen die identifizierten Kriterien in nationale Raumplanung, Genehmigungsverfahren und Marktmechanismen integriert werden können, um DACCS großskalig und konfliktarm umzusetzen. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt I, II, und III und zeigt, wie durch interdisziplinäre Standortanalysen und frühzeitige Regulierung geeignete Rahmenbedingungen für die Planung und den Roll-out von Direct Air Carbon Capture geschaffen werden können.

Die Carbon Management Strategie und CCS im Lichte klimaundenergierechtlicher Weichenstellungen
publication by T. Markus, D. Otto, and D. Thrän, DAS THEMA (2024)

• Dieses Paper analysiert die Carbon Management Strategie der Bundesregierung und den aktuellen Gesetzesentwurf zur Änderung des Kohlendioxid-Speicherungsgesetzes im Kontext klimapolitischer Zielsetzungen und energiepolitischer Rahmenbedingungen, wobei insbesondere die neue Rolle von Carbon Capture and Storage (CCS) als regulärer Bestandteil nationaler Klimaschutzstrategien betont wird, etwa zur Abscheidung schwer vermeidbarer Emissionen und als Infrastrukturgrundlage für CO₂-Entnahmeverfahren wie Direct Air Capture. Die Autor*innen zeigen auf, dass die Neuausrichtung der Politik auf CCS sowohl Chancen für die Erreichung der Klimaziele als auch Risiken wie einen fossilen Lock-in birgt, weshalb klare rechtliche Vorgaben, Förderkriterien und eine abgestimmte Strategie mit anderen Maßnahmen – etwa für Negativemissionen – erforderlich sind. Besonders hervorgehoben wird die Notwendigkeit eines zuverlässigen Regulierungsrahmens für CO₂-Transportleitungen und Offshore-Speicherung sowie einer transparenten gesellschaftlichen Debatte und Beteiligung. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt III und beschreibt, wie Direct Air Carbon Capture durch rechtliche, politische und gesellschaftliche Rahmensetzungen langfristig tragfähig und integriert umgesetzt werden kann.

Reanimation: Carbon Capture and Storage
publication by T. Markus, ZUR (2024)

• Das Paper analysiert den politischen und rechtlichen Kurswechsel der deutschen Bundesregierung in Bezug auf Carbon Capture and Storage (CCS), der sich in einem neuen Eckpunktepapier und einem Gesetzentwurf zur CO₂-Speicherung manifestiert, und ordnet diese Entwicklungen in den Kontext nationaler und europäischer Klimapolitik ein, wobei insbesondere die Rolle von CCS bei schwer vermeidbaren Emissionen und im Rahmen negativer Emissionstechnologien wie Direct Air Capture diskutiert wird. Es wird herausgearbeitet, dass CCS künftig als regulärer Bestandteil von Klimaschutzstrategien verstanden werden soll, aber nur unter bestimmten umwelt- und energiepolitischen Bedingungen zulässig ist, was sowohl Chancen für industrielle Anwendungen als auch Konfliktpotenzial mit dem Naturschutz birgt. Zudem wird betont, dass eine differenzierte Regulierung notwendig ist, um einerseits die technologische Entwicklung zu ermöglichen und andererseits Fehlanreize wie einen fossilen Lock-in zu vermeiden. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt III und zeigt, wie Direct Air Capture durch ein tragfähiges rechtliches Rahmenwerk politisch legitimiert und gesellschaftlich integriert werden kann.

Sauerstoffempfindlichkeit der RAFT-Polymerisation – Eine Modellierungsstudie
publication by E. Pashayev, F. Kandelhard, P. Georgopanos, Chemie Ingenieur Technik, Volume 96, Issue 6: Special Issue: Chemische Reaktionstechnik (2024)

• Dieses Paper untersucht mithilfe eines reaktionskinetischen Modells die Sauerstoffempfindlichkeit der RAFT-Polymerisation und zeigt, dass nicht die Bildung von Peroxidradikalen, sondern deren Weiterreaktionen – insbesondere die Terminierung mit anderen Polymerketten – für die Inhibierung der Reaktion entscheidend sind, wobei durch eine detaillierte Sensitivitätsanalyse der Einfluss kinetischer Parameter sowie der Sauerstoffkonzentration auf Umsatz und Molmassenentwicklung quantifiziert wird, was wiederum zu einer optimierten Initiierungsstrategie durch Kombination schneller und langsamer Radikalbildner führt, mit dem Ziel, den Sauerstoffverbrauch zu beschleunigen und eine gleichmäßige Polymerisation zu gewährleisten. Das entwickelte Modell ermöglicht eine virtuelle Prozessoptimierung, spart experimentellen Aufwand und bietet eine belastbare Grundlage für die Weiterentwicklung kontrollierter Polymerisationen unter realen Umgebungsbedingungen. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und trägt zur zentralen Fragestellung bei, wie durch Modellierung und gezielte Steuerung radikalischer Polymerisationen funktionalisierte Polymere für CO₂-adsorptive Materialien zuverlässig und reproduzierbar hergestellt werden können.

CO₂-Responsive Copolymers for Membrane Applications, Synthesis, and Performance Evaluation
publication by E. Pashayev, P. Georgopanos, Macromolecular Materials and Engineering (2024)

• Dieses Paper beschreibt die Entwicklung eines neuartigen CO₂-responsiven Diblock-Copolymers (PDMAPAm-b-PMMA), das durch zweistufige RAFT-Polymerisation hergestellt wurde und erfolgreich als Beschichtung für Membranmaterialien eingesetzt werden kann, wobei die PDMAPAm-Komponente für die CO₂-Bindung sorgt und die PMMA-Komponente mechanische Stabilität bietet, was zu einer dünnen, stabilen und selektiven Membran führt, die eine erhöhte Permeabilität und Selektivität für CO₂ und H₂O im Vergleich zu N₂ und O₂ zeigt. Die Autoren demonstrieren, dass sich die Selektivität der Membran durch gezielte Variation des Polymerverhältnisses anpassen lässt und damit ein vielversprechender Weg zur Entwicklung leistungsfähiger Membranen für Direct Air Capture eröffnet wird. Die Studie zeigt zudem, dass diese Copolymere thermisch stabil, prozessierbar und reproduzierbar herstellbar sind und somit ein hohes Potenzial für skalierbare Anwendungen besitzen. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und zeigt, wie funktionale Polymermaterialien gezielt für die effiziente Abtrennung von CO₂ aus der Luft entwickelt und in skalierbare Membransysteme integriert werden können.

2023

Electroreduction of CO2 on Au(310)@Cu High-index Facets.
publication by L. Liang, Q. Feng, X. Wang, J. Hübner, U. Gernert, M. Heggen, L. Wu, T. Hellmann, J. P. Hofmann, and P. Strasser, Angew. Chem Int.: 2023 (62)

• Das Paper beschreibt die gezielte Synthese von nanostrukturierten Au@Cu-Kern-Schale-Partikeln mit definierten hochindexierten Kupferflächen, die eine stark verbesserte Selektivität und Effizienz für die CO₂-Elektroreduktion zu Methan zeigen, wobei insbesondere eine fast zehnfache CH₄:CO-Produktquote im Vergleich zu nicht-fazettengesteuerten Referenzkatalysatoren erzielt wurde, was durch operando-FTIR- und CO-Stripping-Experimente auf diesen besonderen Oberflächen zurückgeführt werden konnte. Dieses Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und trägt zur Hauptfragestellung bei, wie nanostrukturierte und fazettenspezifisch kontrollierte Katalysatoren für die selektive und energieeffiziente Umsetzung von CO₂ aus der Luft technisch realisiert werden können.

Functional Material Systems Enabled by Automated Data Extraction and Machine Learning
publication by P. Kalhor, N. Jung, S. Bräse, C. Wöll, P. Friederich, M. Tsotsalas, Adv. Funct. Mat. (2023)

• Das Paper zeigt, wie automatisierte Datenauslese aus wissenschaftlicher Literatur und maschinelles Lernen gemeinsam genutzt werden können, um die Entwicklung funktionaler Materialsysteme – insbesondere solcher auf Basis metallorganischer Gerüste (MOFs) – erheblich zu beschleunigen, indem große, unstrukturierte Datenmengen aus Veröffentlichungen in maschinenlesbare Form überführt und in datengetriebene Entwurfs- und Optimierungsprozesse überführt werden. Es beschreibt, wie durch diese Methoden Materialeigenschaften, Synthesebedingungen und Stabilitätskriterien vorhergesagt werden können und wie sich dadurch neue Materialien effizienter und gezielter für spezifische Anwendungen entwickeln lassen. Besonders hervorgehoben wird die Rolle großer Sprachmodelle (LLMs) wie GPT bei der strukturierten Datenauslese und deren Integration in lernfähige Materialdesign-Workflows. Die Kernaussage ist, dass datengetriebene Ansätze in Kombination mit intelligenter Dateninfrastruktur und FAIR Data Management entscheidend sind, um Materialinnovationen schneller und nachhaltiger zu gestalten. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt II und trägt zur zentralen Fragestellung bei, wie computergestützte Verfahren und maschinelles Lernen die gezielte Entwicklung effizienter Materialien für Direct Air Capture ermöglichen können.

Direct Air Capture Use & Storage – rechtliche und klimapolitische Hintergründe
publication by T. Markus, D. Heß, D. Otto, R. Dittmeyer, ZUR (2023, Heft 3)

• Das Paper analysiert die rechtlichen und klimapolitischen Rahmenbedingungen von Direct Air Capture (DAC) und betont, dass CO₂-Entnahme zunehmend als unverzichtbares Mittel zum Erreichen internationaler Klimaziele anerkannt wird. Es diskutiert technische Verfahren, politische Zielsetzungen und insbesondere die Notwendigkeit einer eigenständigen Regulierung für DAC, da diese Maßnahmen nicht unter klassische Emissionsminderungsstrategien fallen. Die Autor*innen fordern klare rechtliche Definitionen, Zertifizierungsstandards und die Integration von DAC in CO₂-Märkte und Förderinstrumente. Die zentrale Aussage ist, dass Direct Air Capture als eigenständiges klimapolitisches Instrument etabliert und rechtlich abgesichert werden muss, um seine Potenziale voll entfalten zu können. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt III und zeigt, wie DAC-Technologien in politische, rechtliche und wirtschaftliche Systeme eingebettet und langfristig wirksam gemacht werden können.

Biofunctionalization of Metal-Organic Framework Nanoparticles via Combined Nitroxide Mediated Polymerization and Nitroxide Exchange Reaction
publication by I. Wagner, S. Spiegel, J. Brückel, M. Schwotzer, A. Welle, M. H. Stenzel, S. Bräse, S. Begum, and M. Tsotsalas, Macro. Materials (2023)

• Das Paper beschreibt eine neue Methode zur Oberflächenfunktionalisierung von metall-organischen Gerüst-Nanopartikeln (MOF-NPs), die deren Stabilität in Lösung verbessert und gezielte Biomolekülbindung ermöglicht. Durch eine Kombination aus nitroxidvermittelter Polymerisation (NMP) und einem nachgelagerten Austauschreaktionsverfahren (NER) wurden PEG-Ketten und RGD-Peptide an UiO-66-NH₂-MOFs gebunden. Dies führte zu verbesserter Dispergierbarkeit, reduzierter Proteinanlagerung (HSA) und der Möglichkeit, gezielt bioaktive Gruppen zu integrieren. Die Studie zeigt das Potenzial dieser MOF-basierten Plattformen für biomedizinische Anwendungen. Das Paper gehört zu DACStorE Subprojekt III und zeigt, wie funktionalisierte MOF-Oberflächen für die gezielte CO₂-Erfassung und -Selektivität weiterentwickelt werden können.

Design of NiNC single atom catalyst layers and AEM electrolyzers for stable and efficient CO2-to-CO electrolysis: Correlating ionomer and cell performance.
publication by J. Wang, T. R. Willson, S. Brückner, D. K. Whelligan, C. Sun, L. Liang, X. Wang, P. Strasser, J. Varcoe, and W. Ju., Electrochimical Acta: 2023 (461:142613)

• Dieses Paper untersucht, wie sich unterschiedliche Ionomere auf die Leistung von Elektrokatalysatoren zur CO₂-zu-CO-Elektrolyse auswirken. Die Forschenden entwickeln und testen Schichten auf Basis von Nickel-N-C-Katalysatoren (NiNC) in Anionenaustausch-Membranelektrolyseuren (AEM), mit Fokus auf Massentransport, Stabilität und Selektivität bei hohen Stromdichten. Besonders erfolgreich ist dabei das Ionomer Sustainion, das eine hohe CO-Ausbeute (über 90 % Faraday-Effizienz) und stabile Leistung über 15 Stunden ermöglicht. Die Studie zeigt, dass eine ausgewogene Kombination aus Ionenleitfähigkeit und Hydrophobizität entscheidend für die Effizienz und Langzeitstabilität ist. Das Paper gehört zu DACStorE Sub-Projekt II und unterstützt die Hauptfragestellung, wie Direct Air Carbon Capture durch stabile, skalierbare und kosteneffiziente Katalysatorsysteme technisch realisiert werden kann.

Entnahme von CO2 als Baustein der deutschen Klimapolitik – 11 kurze Überlegungen zu Abgrenzung, Portfolio und Klimarecht
publication by T. Markus, D. Otto, K. Korte, E. Gawel, H. Schinder, and D. Thrän, UFZ Discussion Papers (2023)

• Das Paper diskutiert die Rolle von CO₂-Entnahme als ergänzendes Instrument zur Emissionsvermeidung in der deutschen Klimapolitik. In elf Thesen beleuchtet es technische, rechtliche und politische Aspekte verschiedener Entnahmeverfahren – von Aufforstung über Direct Air Capture bis hin zur Speicherung in geologischen Formationen. Es betont die Notwendigkeit eines ausgewogenen Portfolios aus biologischen und technischen Lösungen sowie klarer rechtlicher Rahmenbedingungen. Die Kernaussage: CO₂-Entnahme ist kein Ersatz, sondern eine notwendige Ergänzung zur Vermeidung, um Klimaziele zu erreichen. Das Paper gehört zu DACStorE Sub-Projekt III.