Fraunhofer IWS/TU Dresden Nanostrukturierte MOF für Industrie und Automotive

Werkstoffe wie die sogenannten MOF-Verbindungen (Metal-Organic Frameworks) sind aufgrund ihrer einfachen Herstellung und den immensen inneren Oberflächen für viele Anwendungen interessant. Sie eignen sich z.B. als Gasreiniger für Brennstoffzellen und machen alternative Energiekonzepte für das Auto nutzbar.

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Fraunhofer IWS Dresden

Die Eigenschaften von Werkstoffen bestimmen wesentlich Form und Funktion vieler Produkte. Metal-Organic Frameworks (MOF) 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 großen inneren Oberflächen von bis zu 5000 m2 pro Gramm (das wäre etwa die Fläche eines halben Fußballfeldes) machen MOF für viele Anwendungen interessant: Sie eignen sich zum Beispiel als Gasspeicher oder als Gasreiniger u.a. 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. 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 MOF 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. Die Forscher mit folgenden Fragestellungen:

Wie können Atemschutzfilter länger nutzbar gemacht werden?

Atemschutzfilter schützen vor gefährlichen Gasen bzw. Partikeln. Gemeinsam mit ihren Partnern optimieren die Fraunhofer-Forscher z.B. 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 MOF 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?

MOF gelten als vielversprechende Werkstoffe für eine sichere und effiziente Speicherung von Gasen. Dabei wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass eine mit einem porösen Material (z.B. MOF) 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 MOF als Gasspeichermedium noch einen weiteren interessanten Effekt ausnutzen: Wird das gespeicherte Gas wieder entnommen, bleiben die Gasverunreinigungen in den MOF - 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, das 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.

Erste Muster, bei denen MOF in Textilien eingelagert wurden, stehen zur Verfügung. Um die Wirkung der MOF objektiv zu beurteilen, wurden neue Sensorkonzepte entwickelt. Sie können die relevanten Gase im Spurenbereich sicher nachweisen.

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