Forscher an der School of Engineering and Applied Science der University of Virginia haben herausgefunden, wie man ein Wundermaterial, mit dem sich aus abgeschiedenem Kohlendioxid wertvolles Material gewinnen lässt, herstellen kann und dabei etwas erreicht, was noch niemand geschafft hat: Es so zu gestalten, dass es in großem Maßstab hergestellt werden kann.
Der Durchbruch der Laborgruppe des Chemieingenieurs Gaurav „Gino“ Giri hat Auswirkungen auf die Beseitigung des Treibhausgases, das einen großen Beitrag zum Klimawandel-Dilemma darstellt. Er könnte auch dazu beitragen, den weltweiten Energiebedarf zu decken.
Die Substanz mit der Bezeichnung MOF-525 gehört zu einer Materialklasse, die als Metall-organische Gerüstverbindungen bezeichnet wird.
„Wenn es gelingt, mit diesen MOFs große Flächen abzudecken, werden neue Anwendungen möglich, etwa die Herstellung einer Membran zur Kohlenstoffabscheidung und elektrokatalytischen Umwandlung in einem einzigen System“, sagte Giri.
Die elektrokatalytische Umwandlung schlägt eine Brücke von erneuerbaren Energiequellen zur direkten chemischen Synthese und macht die Verbrennung kohlendioxidproduzierender fossiler Brennstoffe überflüssig.
Was MOFs ihre Superkräfte verleiht, sind ihre ultraporösen, kristallinen Strukturen – 3D-Netzwerke aus winzigen Hohlräumen im Nanomaßstab, die eine enorme innere Oberfläche bilden und wie ein Schwamm wirken – die so gestaltet werden können, dass sie alle möglichen chemischen Verbindungen einfangen.
Eine innovative Lösung
Giris Gruppe kam zu dem Schluss, dass sie ihre Chancen verbessern würden, wenn sie mit einer von Natur aus skalierbaren Synthesetechnik – dem Lösungsscheren – beginnen würden. Sie hatten bereits Erfolg beim Scheren einfacherer MOFs gehabt.
Bei Giris Verfahren werden die MOF-Komponenten in einer Lösung gemischt und dann mit der Scherklinge auf einem Substrat verteilt. Wenn die Lösung verdunstet, bilden chemische Verbindungen das MOF als dünnen Film auf dem Substrat. Durch die Anwendung von MOF-525 auf diese Weise entsteht eine All-in-One-Membran zur Kohlenstoffbindung und -umwandlung.
„Je größer die Membran, desto mehr Oberfläche steht Ihnen für die Reaktion zur Verfügung und desto mehr Produkt können Sie erhalten“, sagte Prince Verma, der im Dezember 2023 seinen Doktortitel in Giris Labor macht. „Mit diesem Verfahren können Sie die Breite der Scherklinge auf jede gewünschte Größe erhöhen.“
Das Team konzentrierte sich auf die CO2-Umwandlung, um seinen Lösungsansatz zu demonstrieren, da die Kohlenstoffabscheidung weit verbreitet ist, um Industrieemissionen zu reduzieren oder aus der Atmosphäre zu entfernen – allerdings zu einem Preis, der den Betreibern Kosten verursacht und eine minimale Kapitalrendite bietet: Kohlendioxid hat kaum einen kommerziellen Wert und wird meist auf unbestimmte Zeit unter der Erde gespeichert.
Allerdings kann MOF-525 mit minimalem Energieeinsatz, indem es Elektrizität zur Katalyse einer Reaktion nutzt, ein Sauerstoffatom entfernen und so Kohlenmonoxid erzeugen – eine Chemikalie, die für die Herstellung von Kraftstoffen, Arzneimitteln und anderen Produkten wertvoll ist.
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift der American Chemical Society Angewandte Materialien und Grenzflächen. An der Arbeit haben außerdem Connor A. Koellner, Hailey Hall, Meagan R. Phister, Kevin H. Stone, Asa W. Nichols, Ankit Dhakal und Earl Ashcraft mitgewirkt.
Mehr Informationen:
Prince K. Verma et al, Lösungsscherung von Zirkonium (Zr)-basierten Metall-Organischen Gerüsten NU-901 und MOF-525 Dünnfilmen für elektrokatalytische Reduktionsanwendungen, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c12011