Neuartige poröse Materialien schaffen vielfältige neue Möglichkeiten

21.07.2010 - Deutschland

Die Eigenschaften von Materialien bestimmen ganz wesentlich Form und Funktion vieler Produkte. Neuartige Materialien wie bspw. die sogenannten MOF-Verbindungen bieten eine Vielzahl neuer Möglichkeiten. Metal Organic Frameworks, MOFs, sind poröse Festkörper, die aus vielen, immer gleichen Grundbausteinen bestehen und baukastenähnlich sehr variabel zusammengesetzt werden können. Ihre relativ einfache Herstellung und vor allem ihre gigantisch großen „inneren“ Oberflächen von bis zu 5000 m² pro Gramm machen MOFs für viele Anwendungen interessant: Sie eignen sich zum Beispiel als Gasreiniger für Brennstoffzellen - und machen so alternative Energiekonzepte für den Fahrzeugantrieb nutzbar.

Im Rahmen eines EU-Großprojektes beschäftigen sich Dresdner Forscher mit der Entwicklung und dem Test dieser neuen Materialien mit den faszinierenden Eigenschaften. Unter dem Titel „nanoMOF - Nanoporous Metal-Organic Frameworks for production“ arbeiten Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden sowie der TU Dresden mit Partnern aus ganz Europa zusammen, um nanostrukturierte MOFs (engl. metal-organic frameworks) den Weg in industrielle Anwendungen zu ebenen. Das Konsortium besteht aus multinationalen und mittelständischen Unternehmen sowie Universitäten und Forschungsinstituten aus neun europäischen Ländern und einem assoziiertem Land.

Konkret beschäftigen sich die Forscher mit folgenden Fragestellungen:

Quantentrio bleibt sich in der Ferne treu

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Wie können Atemschutzfilter länger nutzbar gemacht werden? Atemschutzfilter schützen vor gefährlichen Gasen bzw. Partikeln. Gemeinsam mit Ihren Partnern optimieren die Fraunhofer-Forscher bspw. die Filter in Atemschutzmasken, um eine höchst mögliche Blockfunktion sowie längere Standzeiten zu gewährleisten.

Wie können Brennstoffzellen länger halten? Die heutzutage immer noch dominierende Energiebereitstellung anhand der Verbrennung fossiler Energieträger wird zunehmend von alternativen Technologien ergänzt. Die Brennstoffzellentechnologie steht dabei mit an vorderster Stelle. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle und somit ihr Einsatzpotenzial wird maßgeblich von der Qualität der eingesetzten Gase bestimmt. Spezielle MOFs können die störenden Verunreinigungen binden und somit das Gas sehr effizient reinigen, was zu einer beträchtlichen Erhöhung der Brennstoffzellenlebensdauer führt.

Wie viel Erdgas passt maximal in einen Tank? MOFs gelten als vielversprechende Materialien für eine sichere und effiziente Speicherung von Gasen. Dabei wird die verblüffende Eigenschaft ausgenutzt, dass eine mit einem porösen Material (bspw. MOFs) gefüllte Gasflasche ein Vielfaches an Gas speichern kann, als eine herkömmliche leere Druckgasflasche. Einsatzgebiete sind u. a. die Wasserstoff- oder Erdgasspeicherung für neuartige Automobilmotoren. Die Forscher wollen bei der Anwendung von MOFs als Gasspeichermedium noch einen weiteren interessanten Effekt ausnutzen: Wird das gespeicherte Gas wieder entnommen, bleiben die Gasverunreinigungen in den MOFs gefangen - das Nutzgas ist wesentlich reiner. Dieses vorteilhafte Verhalten soll für die Gasbereitstellung in Halbleiterfabriken ausgenutzt werden.

Wie können biologische Produkte effizient veredelt werden? Ein wesentlicher Bestandteil des MOF-Gitters sind die jeweils genutzten Metalle. Eine große innere MOF-Oberfläche bedeutet somit auch eine große Metalloberfläche. Dass Metalle (bio)chemische Reaktionen unterstützen bzw. erst möglich machen, ist hinlänglich bekannt - diesen katalytischen Prozess jedoch mit nur wenigen Gramm MOF-Katalysator nutzbar zu machen, dass versuchen die Forscher in einer weiteren Arbeitsgruppe des EU-Projektes. Dabei steht die Umwandlung natürlicher Rohstoffe, z.B. tierischer und pflanzlicher Fette zur Herstellung von Nahrungsmittelzusätzen oder Hautcremes und -ölen im Zentrum des Interesses.

Die Dresdner Forscher können bereits nach dem ersten Jahr des europäischen Projektes hervorragende Ergebnisse vorweisen. Erste Muster, bei denen MOFs in Textilien eingelagert wurden, stehen zur Verfügung. Um die Wirkung der MOFs objektiv zu beurteilen, wurden neue Sensorkonzepte entwickelt. Sie können die relevanten Gase im Spurenbereich (also wenige Moleküle unter einer Million anderer Moleküle) sicher nachweisen.

https://www.chemie.de/news/120297/neuartige-poroese-materialien-schaffen-vielfaeltige-neue-moeglichkeiten.html