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Posts Tagged ‘poröse Materialien’

Obst haltbar machen, Atemluft reinigen, reaktive Gase stabiliseren: So unterschiedlich diese Fragestellungen sind, metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind die Antwort. Aus der unglaublichen Vielfalt an möglichen Strukturen und Zusammensetzungen von MOFs ergeben sich entsprechend viele Einsatzmöglichkeiten.

Die entscheidende Rolle bei den Anwendungen außerhalb der Katalyse spielt dabei die Fähigkeit der MOFs, insbesondere Gase selektiv zu adsorbieren und freizusetzen. Diese Eigenschaft kann sowohl zur Speicherung von Gasen wie Wasserstoff oder Methan dienen, zur Adsorption von CO2 aus Abgasströmen, aber auch zur gezielten Freisetzung von Gasen.

Durchbruch im Jahr 2016

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Letzteres war der Schlüssel zur laut Presseberichten ersten kommerziellen Anwendung von MOFs bei der Lebensmittellagerung: 2016 verkündeten der MOF-Hersteller MOF Technologies Ltd. und das Obstlogistik-Unternehmen Decco Worldwide Post-Harvest Holdings, man habe gemeinsam eine Technologie entwickelt, um Obst länger zu lagern. Kern des Verfahrens sind MOFs, die in der Verpackung 1-Methylcyclopropen freisetzen; es verhindert den Nachreifungsprozess bei Obst.

Auch in der Öl- und Gasindustrie kommen MOFs bereits zum Einsatz. Die Firma framergy hat sich darauf spezialisiert und bietet maßgeschneiderte MOFs für die Gasreinigung. Noch wichtiger könnte aber ein spezifisches Anwendungsfeld werden: framergy entwickelt Lösungen, um Fackelgase aufzufangen, und könnte damit einen signifikanten Beitrag für Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit bei der Öl- und Gasgewinnung leisten. Demonstrationsanlagen sind bereits in Betrieb.

Der Wert der Zuverlässigkeit

Wo der Preis gegenüber der Zuverlässigkeit nachrangig ist, können MOFs ihre Stärken voll ausspielen. Das gilt für den Einsatz in Atemschutzmasken, wo sie Lücken im Adsorptionsspektrum schließen könnten, die Aktivkohle und andere konventionelle Materialien bisher hinterlassen. Unter anderem forscht die Bundeswehr an entsprechenden Technologien.

Es gilt aber auch in der Halbleiterindustrie. NuMat Technologies, ein junges US-Unternehmen, hat sich dafür mit Versum Materials zusammengeschlossen, einem Anbieter von Ausgangsstoffen und Gasen für die Halbleiterindustrie. Die von NuMat entwickelten MOFs sollen in Gasbehältern dafür sorgen, dass Gase wie Arsin, Phosphin und Bortrifluorid mit höchster Reinheit auch bei Unterdruck gelagert und transportiert werden können. Das stabilisiert einerseits die reaktiven Gase und reduziert gleichzeitig die Risiken bei Lecks.

By JuliusEvola – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64506541

Das Schweizer Startup novoMOF AG untersucht ebenfalls zahlreiche mögliche Einsatzgebiete für ihre MOFs. Dazu gehört auch die Gewinnung von Edelgasen. Anstelle der sehr energieaufwändigen Luftfraktionierung sieht novoMOF die Möglichkeit, hochselektive MOFs zu nutzen, um insbesondere die seltenen Edelgase Krypton und Xenon zu gewinnen, und wirbt um Partner für die Pilotierung.

Wenn die Einsatzmöglichkeiten so zahlreich sind, warum sehen wir dann derzeit doch noch relativ wenige Anwendungen im Markt? Das liegt zum einen an den Kosten, zum anderen aber auch an Fragen wie der Stabilität der Verbindungen. Dazu mehr im nächsten Beitrag in der kommenden Woche.

https://dechema.de/MOF2020.html

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Faszinierende Grundlagenforschung, neue Funktionsmaterialien und dynamische Strukturen, die ganz neue Verfahren zugänglich machen: Die „MOF-Szene“ ist enorm vielfältig – und trotzdem kann eine Tagung alle Stakeholder integrieren. Warum das so ist und wo zur Zeit die Forschungsschwerpunkte bei metallorganischen Frameworks und anderen porösen Materialien liegen, hat uns Prof. Dr. Stefan Kaskel erzählt:

Die MOF findet 2020 bereits zum 7. Mal statt. Was zeichnet diese Konferenz aus Ihrer Sicht besonders aus?

Prof. Dr. Stefan Kaskel ist Professor für Anorganische Chemie an der TU Dresden und Abteilungsleiter Chemische Oberflächen- und Reaktionstechnik am Fraunhofer Institut für Werkstoff-und Strahltechnik (IWS) in Personalunion. Er ist Chairman der MOF 2020.

Die ersten MOFs wurden Ende der 90er Jahre „gefunden“ und im Milligramm-Maßstab synthetisiert. Seitdem hat sich unglaublich viel getan; heute haben wir eine große Community, die gleichzeitig sehr breit und interdisziplinär aufgestellt ist.

Die erste MOF-Tagung fand 2008 in Augsburg statt. Damals ging es vor allem um das gegenseitige Kennenlernen und um die „klassischen“ Themen wie MOF-Synthese und Adsorptionsanwendungen, z.B. für die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas.

Heute hat sich das Feld sehr stark gewandelt und differenziert. Im Bereich der Anwendung wird vor allem an optischen und elektronischen Funktionsmaterialien geforscht. Dabei geht es nicht nur um die Funktionalität selbst, sondern auch die Integration in Devices oder Bauteile. Dafür müssen MOFs als Schichten oder Nanopartikel hergestellt oder in Membranen integriert werden.

Welche Rolle spielt die Grundlagenforschung?

Die neuen Erkenntnisse der Grundlagenforschung sind faszinierend: Dort werden die Mechanismen bei der Bildung der Materialien untersucht. Durch Verfahren wie die Transmissions-Elektronenspektroskopie  ist eine noch genauere Charakterisierung möglich geworden. Eigenschaften und Feinstruktur von MOFs hängen eng miteinander zusammen. Dynamische MOFs zeigen ein reversibles Öffnen und Schließen der Porenstruktur, ein einzigartiges Verhalten im Vergleich zu klassischen starren Adsorbentien; das lässt sich mit in situ- oder Operando-Methoden beobachten. Das Verständnis der physikalischen Grundlagen und der Festkörperchemie ist gerade auch bei jüngeren Forschern ein großes Thema.

Das Themengebiet, das die MOF adressiert, ist extrem breit. Was ist die gemeinsame Schnittmenge, und wie würden Sie das Verhältnis zwischen sehr spezialisierten Sessions und Konferenzteilen, die sich mehr oder weniger an alle Teilnehmer richten, beschreiben?

Da alle Aspekte miteinander zusammenhängen, ist die Community noch nicht „zerfallen“. Es gibt einige Sessions und Plenarvorträge, die für alle interessant sind, die sich irgendwie mit MOFs befassen. Andere Themen wie die Funktionsmaterialien sind dann spezieller. Insgesamt ist die Community erfreulich interdisziplinär.

Was können speziell erfahrene Wissenschaftler, Nachwuchswissenschaftler und Industrievertreter von der MOF 2020 erwarten?

Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Für jüngere Wissenschaftler bieten wir zwei Workshops an: Die MOF 2020 Expert View Series ist ein Tutorial zum Einsatz von MOFs von den Grundlagen bis zur Anwendung und richtet sich besonders an Doktoranden oder Wissenschaftler mit anderen Forschungsschwerpunkten. Beim Young Investigators Forum können Doktoranden und PostDocs ihre eigene Forschung präsentieren.

Industrievertreter haben bei einem eigenen Workshop die Gelegenheit, sich über Synthese, Verarbeitung und Anwendungen von MOFs und porösen Polymeren in der Praxis zu informieren.

Womit beschäftigen Sie sich in Ihrer eigenen Forschung derzeit am intensivsten?

Wir beschäftigen uns mit dynamischen MOFs, die ihre Struktur responsiv ändern, wenn bestimmte Moleküle selektiv aufgenommen werden. Um diese Responsivität besser zu verstehen, kombinieren wir in-silico-Simulationen, Synthese und Analytik. Das ist extrem spannend für Trennprozesse, weil sich die Selektivität enorm erhöht.

Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, vom Doktoranden bis zum Industrieexperten – die 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20.-23. September 2020 in Dresden hat für jeden etwas zu bieten. Mehr unter https://dechema.de/en/MOF2020.html

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Von Tony Boehle – Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27335434

Metallorganische Gerüstverbindungen oder MOFs gehören vielleicht zu den spannendsten Materialklassen überhaupt. Die Vielfalt der möglichen Zusammensetzungen, Strukturen und Oberflächeneigenschaften eröffnet eine enorme Breite möglicher Anwendungsgebiete. Das zeigt ein Blick auf einige beispielhafte Veröffentlichungen der letzten Monate:

  • Eines der vielbeachteten Einsatzgebiete von MOFs ist die Abtrennung von CO2 aus feuchten Gasströmen. Bisher bereitet das große Probleme, weil die Wassermoleküle mit CO2 um die Bindungsstellen an vielen adsorptiven Materialien konkurrieren. Wissenschaftler der Polytechnischen Hochschule Lausanne um Peter Boyd screenten mit einem Computermodell 325.000 metallorganische Gerüstverbindungen auf ihr Adsorptionsverhalten. Dabei stießen sie auf 35 Strukturen, die CO2 aus nassen Abgasen filtern können. Der Trick: Die Materialien verfügen über getrennte Bindungsstellen für Wasser bzw. für CO2. So wird die Konkurrenz der beiden Moleküle vermieden. Die Ergebnisse aus dem Rechner konnten an zwei Materialien bereits verifiziert werden – sie eignen sich besser als bisher verfügbare Zeolithe und ähnliche Materialien zur CO2-Abtrennung aus feuchter Umgebung. (Publikation in Nature)
  • Ein Team der Universität Manchester stellte im November Ergebnisse zum Einsatz von MOF gegen Luftverschmutzung durch Stickoxide vor. Das „Manchester Framework Material 520 – MFM-520“ adsorbiert 4,2 mmol NO2-Dimere pro g. Behandelt man das MOF anschließend mit Wasser in Luft, wird das NO2 quantitativ zu HNO3 umgewandelt, und das MOF wird vollständig regeneriert. Damit steht ein neues edelmetallfreies Material für die Denitrifikation von trockenen und feuchten Gasströmen zur Verfügung. (Webseite der Universität Manchester)
Photo by Heorhii Heorhiichuk on Pexels.com
  • Auch andere gefährliche Substanzen lassen sich mit Hilfe von MOFs aus der Atemluft entfernen: Im Journal der American Chemical Society berichten Wissenschaftler aus den USA und China über den Einsatz von MOFs, um chemische Kampfstoffe aus der Luft unschädlich zu machen. Bisherige Ansätze scheiterten daran, dass für die Hyrolyse der Nervengifte alkalische Lösungen mit flüchtigen toxischen Basen benötigt wurden. Die Forscher der Nordwestern University und ihre Partner kombinieren MOFs auf Zirkonium-Basis mit linearem Polyethylimin, einer festen Base. Der Verbundstoff speichert genug Wasser aus der Luftfeuchtigkeit, um die Hydrolyse ohne flüssiges Wasser zu ermöglichen. Er lässt sich auf Textilien auftragen und kann so beispielsweise in Luftfiltern oder Schutzanzügen eingesetzt werden. (Artikel im J. Am.Chem. Soc.)
  • Doch der Einsatz von metallorganischen Gerüstverbindungen beschränkt sich nicht nur auf die Abtrennung von Gasen. So berichteten Wissenschaftler kürzlich in Nature Communications über Wege, MOFs so zu designen, dass sie als Katalysatoren bei der Wasserelektrolyse die Sauerstoffentstehung fördern. Dabei werden Verknüpfungen innerhalb des MOF entfernt; anstelle von Liganden mit mehreren Koordinationsstellen werden einfache Liganden eingesetzt, so dass die Netzwerkstruktur Lücken bekommt („missing linkers“). Erste experimentelle Ergebnisse bestätigen die Berechnungen und lassen darauf schließen, dass durch diese Methoden auch MOFs für andere katalytische Reaktionen optimiert werden können. (Artikel in Nature Communications)

Mehr Aktuelles zu metallorganischen Gerüstverbindungen gibt es bei der 7th International Conference on Metal-Organic Frameworks and Open Framework Compounds vom 20 – 23 September 2020 in Dresden. Bis 14. Februar 2020 können Sie Ihren Beitrag einreichen.

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von Edward Nürenberg, Timo Rabe und Sebastian Leubner

Während der Promotion kann es oft schwierig sein, das universitäre Umfeld zu verlassen und sich Anregungen für die spätere berufliche Laufbahn anzueignen. Der Workshop „Zeolites in Contemporary Applications” der ProcessNet-Fachgruppe Zeolithe und der BASF SE am 17.-19.09.2018 in Ludwigshafen gab 20 Studenten und Promotionsstudenten der Chemie und MaterialwisGruppenbildsenschaften aus ganz Deutschland genau dazu die Möglichkeit. Gemeinsam mit sechs fachkundigen Experten auf dem Gebiet der Zeolithe und porösen Materialien in Bezug auf Katalyse diskutierten sie aktuelle Anwendungen von Zeolithen und bekamen so Einblicke in die aktuelle Forschung und Anwendung dieser vielseitigen Materialien.

Deutsche Zeolith-Tagung 2019

Mehr zu Zeolithen gibt es vom 6.-8. März 2019 bei der Deutschen Zeolith-Tagung. Reichen Sie bis zum 3. Dezember Ihren Beitrag ein!

Das wissenschaftliche Programm umfasste vier Vorträge aus dem Bereich der akademischen Forschung und zwei anwendungsorientierte Präsentationen von Wissenschaftlern der BASF SE. Eine Postersession ermöglichte das weite Feld der Zeolith-Forschung aktiv zu erkunden, eigene Forschungsergebnisse zu präsentieren sowie in regen wissenschaftlichen Austausch mit anderen Teilnehmern und Vertretern der BASF SE zu treten.

Eine Busrundfahrt über das BASF-Gelände verschaffte einen beeindruckenden Einblick in die größte zusammenhängende Chemieanlage der Welt. Die anschließende Podiumsdiskussion mit Vertretern von Universitäten und der Industrie rundete die Veranstaltung ab.

Der Workshop war sehr gut von der BASF und der Fachgruppe Zeolithe organisiert, umfasste eine breite Auswahl von relevanten wissenschaftlichen Themen und bot gute Möglichkeiten zu Interaktionen zwischen den akademischen Teilnehmern untereinander sowie mit den Vertretern der BASF. Besonders spannend am Programm war die Verbindung zwischen industriell etablierten Zeolith-basierten Systemen und futuristischen Neuentwicklungen, welche schon gegenwärtig und in Zukunft in wichtigen Bereichen wie der Medizin, Wasseraufbereitung, Katalyse, Energiespeicherung und vielen anderen von hoher Relevanz sein werden.

Der Workshop kombinierte hervorragend zwei Facetten; zum einen über aktuelle und schon dagewesene Forschung mit Experten auf diesem Gebiet zu diskutieren und sich selbst weiterzubilden und zum anderen die innere Struktur eines Großkonzernes kennenzulernen. So war dieser Workshop eine wunderbare Chance, einen Einblick in die die Welt jenseits der Universität zu bekommen.

 

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