Ein Material zur Rettung der Welt?

Metallorganische Rahmenbedingungen sind Verbindungen, die einige große Herausforderungen lösen sollen: Wassergewinnung in der Wüste, Entfernung von Treibhausgasen aus der Luft und sicherere Lagerung gefährlicher Gase.

Die Wüste von Arizona ist wirklich trocken. Jeder, der ohne Wasser darin steckt, würde innerhalb von drei Tagen an Dehydrierung sterben.

Es sei denn, sie hatten einen von Omar Yaghis Wassergewinnungsmaschinen der nächsten Generation. Obwohl die Tagesfeuchtigkeit nur etwa 10 Prozent beträgt, steigt sie nachts auf 40 Prozent, d.h. es befindet sich genügend Wasser in der Atmosphäre, um das Leben zu unterstützen – wenn es in flüssige Form überführt werden kann.

Das ist genau das, was Yaghis Gerät tut. Es handelt sich um eine Plexiglasbox in einer Box – etwa so groß wie eine kleine Mikrowelle -, die so konzipiert ist, dass sie die Feuchtigkeit aus der Luft nachts ansaugt und am nächsten Tag nur mit der Wärme der Sonne als Energiequelle in Trinkwasser umwandelt. Was es funktionieren lässt, ist ein Pulver namens metall-organisches Gerüst (MOF), das bei normalen Temperaturen Wassermoleküle auf die Oberfläche der inneren Poren zieht. Erwärmen Sie es und das Wasser wird freigesetzt, wobei jede Ernte ein Drittel einer Tasse reines Trinkwasser produziert.

„Mit weiteren Verbesserungen könnte ein Gerät von der Größe einer Waschmaschine genügend Wasser für die Grundversorgung eines Haushalts produzieren“, sagt Yaghi, Chemiker an der University of California, Berkeley.

Ein Drittel der Weltbevölkerung hat keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser; für sie könnte ein solches Gerät eine Lebensrettung sein. Aber das ist nicht die Grenze der MOF-Technologie.

Diese kristallinen Metallcluster, wie Aluminium oder Magnesium, die durch organische Moleküle verbunden sind, können zu Materialien mit extrem hohen Absorptionskapazitäten verarbeitet werden, die spezifische Moleküle an ihre Oberflächen binden. Auf diese Weise haften MOFs an einer Vielzahl von Flüssigkeiten und Gasen. Sie können auch verwendet werden, um effizientere Katalysatoren oder Promotoren der Elektrolyse zu schaffen.

MOFs funktionieren dank ihrer ausgeprägten Struktur – einer Fülle von nanometergroßen Innenräumen. Tatsächlich hat ein MOF von der Größe eines Zuckerwürfels so viele Poren, dass sie, wenn sie geglättet würden, eine Fläche von bis zu sechs Fußballfeldern abdecken würden. MOFs sind zudem extrem stabil, leicht und vielseitig einsetzbar: Ihre molekulare Anatomie kann variiert werden, um bestimmte Moleküle, wie beispielsweise Wasser, anzuziehen, und ihre Poren können so gestaltet werden, dass sie sie am besten speichern. Durch das Hinzufügen einer kleinen Menge an Wärme oder Druck gibt das MOF frei, was es hält. Mehr als 70.000 verschiedene MOFs wurden bisher für verschiedene Anwendungen produziert.

Yaghis Prototyp des Wassererntemaschinen MOF besteht aus dem teuren Metall Zirkonium, aber sein nächster wird auf Aluminiumbasis sein, das billiger zu skalieren ist und ein enormes Kommerzialisierungspotenzial bietet.

„Wir freuen uns darauf, den nächsten Prototyp eines Wassergewinners im kalifornischen Death Valley zu testen“, sagt Yaghi.

Eine nachhaltigere Zukunft schaffen
So wie MOFs zur Lösung des Problems der Wasserknappheit beitragen können, bieten sie eine Möglichkeit, den Überschuss an Treibhausgasen zu reduzieren.

Im April dieses Jahres erreichte der Kohlendioxidausstoß in der Atmosphäre ein 800.000 Jahre hohes Niveau und trug damit zum Klimawandel bei. Neuere Forschungsergebnisse zeigen, wie MOFs dazu beitragen können, diese Gefahr für das Ökosystem der Erde zu mindern.

Ein internationales Team unter der Leitung von Chemikern der University of Manchester, Großbritannien, berichtete 2018 in Nature Materials, dass sie ein aluminiumbasiertes MOF entwickelt hätten, das selektiv, reversibel und wiederholt einen weiteren gasförmigen Schadstoff, Stickstoffdioxid, unter Umgebungsbedingungen aus der Atmosphäre entfernen könne. Diese Entdeckung könnte zu Luftfiltertechnologien führen, die große Mengen anderer Gase, wie beispielsweise Kohlendioxid, abfangen und umwandeln, um die Luftverschmutzung zu reduzieren.

„Ein MOF ist sehr interessant, weil es diese Eigenschaft hat, stark mit Molekülen zu interagieren, die man aus der Atmosphäre entfernen möchte“, sagt Sihai Yang, einer der Hauptautoren der Studie und anorganischer Chemiker an der School of Chemistry der Manchester University. „Dieses Material ist das erste Beispiel für ein MOF, das eine sehr reversible und selektive Fähigkeit zur wiederholten Abtrennung von Stickstoffdioxid aus der Luft, auch in Gegenwart von Wasser, aufweist.“

Ein vielversprechender Weg zur Kommerzialisierung
MOFs tauchen überall auf. Im Jahr 2017 schloss sich der in Illinois ansässige MOF-Startup-Pionier NuMat Technologies mit dem Elektronikmaterialhersteller Versum Materials in Arizona zusammen, um MOFs zur sicheren Lagerung und Lieferung gefährlicher Gase, wie beispielsweise Arsin, zu nutzen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Bei einem bestimmten Druck hält ein Tank mit einem MOF mehr Gas als ein Tank ohne. Oder anders ausgedrückt, wenn ein Gastank ein MOF enthält, dann muss er nicht so stark unter Druck gesetzt werden, um die gleiche Gasmenge zu halten – was ihn sicherer und weniger explosionsgefährdet und möglicherweise kostengünstiger macht.

Nach 20 Jahren intensiver Entwicklung stellen einige der potenziellen Anwendungen des MOFs vielversprechende Investitionsmöglichkeiten dar, sagt Yaghi.

„Die erste Welle von Anwendungen betraf die Speicherung und Freigabe von Gas“, sagt er. „Inzwischen sind etwa zwei Dutzend Unternehmen in den letzten fünf Jahren dafür bekannt, MOFs zu verfolgen, von kleinen Start-ups bis hin zu größeren Chemie- und Automobilunternehmen.“

QYResearch prognostiziert, dass der MOF-Markt von 70 Millionen Dollar im Jahr 2017 auf 750 Millionen Dollar im Jahr 2025 wachsen wird. „Das Potenzial hier ist schier endlos“, sagt Yaghi. „Wenn billigere Materialien in den Fokus rücken, wird es weiterhin noch mehr Möglichkeiten zur Vermarktung geben.“

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