Demonstration der industriellen Relevanz von nanoporösen Hybridmaterialien
In den letzten zwei Jahrzehnten haben Forscher mehrere neue Klassen nanoporöser Materialien entdeckt, wie beispielsweise Aluminiumsilikate und metallorganische Gerüstverbindungen. Nanoporöse Materialien können im Allgemeinen als Pulver mit großer Oberfläche und Poren im Nanobereich definiert werden. Metallorganische Gerüstverbindungen gehören zu einer Familie poröser Verbindungen, die aus Metallionen oder -clustern bestehen, die von organischen Liganden koordiniert werden, um ein-, zwei- oder dreidimensionale poröse Strukturen zu bilden. Trotz des erheblichen Potentials, das diese neue Materialklasse bietet, haben nanoporöse Materialien noch keinen Weg in industrielle Prozesse und Anwendungen gefunden. Dies liegt daran, dass die zur Herstellung benötigten Materialien derzeit als zu kostspielig und in ihrer Form ungeeignet für die industrielle Verwendung angesehen werden. Dem soll nun u. a. durch das EU-finanzierte Projekt ProDIA entgegengewirkt werden. Das Projekt demonstrierte die Machbarkeit großtechnischer industrieller Produktionsprozesse für nanoporöse Hybridmaterialien als Endprodukte. „Im Rahmen von ProDIA haben wir Verfahren zur Herstellung von nanoporösen Pulvern, inklusive metallorganischer Gerüstverbindungen und Aluminiumsilikaten, entwickelt, wobei nachhaltige Lösungsmittel wie Wasser oder nahezu lösungsmittelfreie Prozesse verwendet wurden“, so Richard Blom, Projektkoordinator von ProDIA. „Darüber hinaus haben wir in gleichem Maße die Formung derartiger Materialien demonstriert.“ Demonstration der nachhaltigen Herstellung von nanoporösen Materialien Die Konsortialpartner des Projekts führten vier Pilotvorführungen durch: adsorbiertes Erdgas, Entfernung toxischer Industriechemikalien, Adsorptionswärmepumpen und antimikrobielle Wirkstoffe zur Verwendung im Gesundheitswesen. Diese Vorführungen zeigten, dass die Industrie durch den Wechsel von hochmodernen Adsorptionsmaterialien (typischerweise auf Kieselsäure- und Aktivkohlebasis) hin zu neuen nanoporösen Materialien wesentliche Verbesserungen in Bezug auf Energie und Systemgröße im Vergleich zu bestehenden Technologien erzielen kann. Mit dieser Arbeit gelang es den Forschern von ProDIA zu zeigen, dass eine nachhaltige Herstellung von nanoporösen Materialien im Bereich von >10 kg möglich ist. Zudem stellten sie auch Formkörper der ausgewählten nanoporösen Materialien her, deren Leistung verglichen mit Vorläuferpulvern nur unwesentlich geringer war. Laut Blom hat das Projekt zum einen gezeigt, dass es möglich ist, metallorganische Gerüstverbindungen für spezifische Anwendungen zu formen, und zum anderen, dass die geformten metallorganischen Gerüstverbindungen – zumindest für ausgewählte Adsorptionsanwendungen – im Vergleich zu den heute kommerziell verwendeten Adsorptionsmitteln signifikante Leistungsverbesserungen aufweisen. „Eine der zentralen Botschaften des Projekts ist, dass Adsorptionsmittel auf Basis metallorganischer Gerüstverbindungen nicht unbedingt teuer sein müssen“, sagt er. „Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass metallorganische Gerüstverbindungen geformt werden können, wobei es allerdings die fragile Natur dieser Materialien zu berücksichtigen gilt, die nur einen bedingten Einsatz von hohem Druck und hohen Temperaturen während des Formungsprozesses zulässt.“ Den Sprung wagen Die Ergebnisse des Projekts haben bereits in zahlreichen Branchen Beachtung gefunden. Einige der am Projekt beteiligten KMU und größeren Unternehmen werden die Verfahren von ProDIA zur Weiterentwicklung ihres Geschäfts übernehmen. Darüber hinaus wollen die forschungsorientierten Partner des Projekts diese Verfahren im Rahmen neuer Forschungsprojekte und potenzieller Spin-off-Unternehmen weiter vorantreiben. „Ich hoffe wirklich sehr, dass die Entwickler von Adsorptionstechnologien und Materialhersteller bald den Sprung in die Welt von metallorganischen Gerüstverbindungen wagen und ihre Instrumente für diese neue Familie von Adsorptionsmitteln optimieren werden“, fügt Blom hinzu. „Angesichts der Möglichkeiten, die die enorme chemische Vielfalt von metallorganischen Gerüstverbindungen bietet, bin ich mir sicher, dass sich diese Umstellung langfristig auszahlt.“
Schlüsselbegriffe
ProDIA, nanoporöse Materialien, Aluminiumsilikate, metallorganische Gerüstverbindungen, Nanotechnologie