Als sie vor mehr als drei Jahrzehnten erfunden wurden, galten organometallische Gerüste als der nächste große Durchbruch in der Chemie . Und schon bald könnten diese spannenden Materialien in Systemen zur Bindung von Kohlendioxid und zur Gewinnung von Wasser aus der Luft kommerziell genutzt werden.
Im Mai dieses Jahres wurde mit einer Investition von 150 Millionen Dollar eine Anlage zur Abscheidung von Kohlendioxid in Burnaby, Kanada, eröffnet. Die Anlage, die nach den höchsten Bäumen der Welt Redwood genannt wurde, soll nach Angaben von Vertretern des Betreibers Svante Technologies () Filter produzieren, die 10 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro Jahr binden können.
Super-Schwamm
Die Eröffnung der Fabrik bedeutet auch einen kommerziellen Durchbruch für die faszinierenden "Superschwämme", die vor mehr als 30 Jahren erfunden wurden und damals ein großes wissenschaftliches Interesse und einen Hype auslösten, sich aber bis heute nicht auf dem Markt durchsetzen konnten. Poröse, pulverförmige Feststoffe, so genannte metallorganische Gerüste (MOFs), faszinieren Chemiker seit Jahrzehnten. MOFs haben riesige innere Hohlräume, was sie zu den porösesten Feststoffen der Welt macht. Die innere Oberfläche von einem Gramm MOF-Pulver kann die Größe eines Fußballfeldes haben.
In den letzten drei Jahrzehnten haben Forscher mehr als 100.000 MOF-Varianten unter Laborbedingungen hergestellt und ihre Verwendung zur Gasspeicherung, als Katalysatoren, zur Extraktion giftiger Chemikalien aus Wasser und zur Bereitstellung von Medikamenten an ihren Zielorten sowie viele andere potenzielle Anwendungen getestet. In der Zwischenzeit haben Experten auch eine andere, ähnliche Art von Material entwickelt, nämlich kovalente organische Gerüste (COFs), die jedoch trotz des intensiven akademischen Interesses noch nicht in industriellem Maßstab hergestellt werden konnten.
In den letzten Jahren gab es jedoch eine Wende auf diesem Gebiet: Svante und andere Unternehmen haben herausgefunden, dass MOFs und COFs zur Bindung von Kohlendioxid verwendet werden können.
So wird eine Art von MOF in der Fabrik von Svante inzwischen im Tonnenmaßstab hergestellt. Obwohl noch nicht klar ist, ob diese Pulver tatsächlich konkurrierende Produkte übertreffen werden - die Fabrik von Svante stellt auch andere Arten von Materialien zur CO2-Bindung her -, scheint sich der Markt nun wirklich zu öffnen, meint Shababa Selim, Analyst bei der in Cambridge ansässigen Forschungsberatungsfirma IDTechEX.
Vielversprechend, aber teuer
Die Geschichte der MOFs begann 1989, als Richard Robson, Chemiker an der Universität von Melbourne, und sein Kollege Bernard Hoskins die Entdeckung eines neuen festen Polymermaterials mit potenziell breiten Anwendungsmöglichkeiten, noch nie dagewesenen und möglicherweise nützlichen Eigenschaften bekannt gaben. Robson mischte Kupferionen mit den von ihm hergestellten organischen Kopplungsmolekülen und erreichte durch sorgfältige Auswahl der Lösungsmittel und langsames Verdampfen die Kristallisation dieser Bausteine zu einer porösen Skelettstruktur.
Mitte der 1990er Jahre prägte der Berkeley-Chemiker Omar Yaghi den Begriff MOF. Die ersten Strukturen waren instabil oder funktionierten nur bei sehr niedrigen Temperaturen, aber Yaghi entwickelte Wege, um MOFs robuster zu machen, indem er sie aus molekularen Bausteinen aufbaute, die durch starke Bindungen verbunden waren. Akademische Labors griffen die Idee sofort auf, und heute verfügt das Cambridge Crystallographic Data Centre über mehr als 100.000 verschiedene MOF-Varianten. (Laut einer Analyse von Nature wurden mehr als 100.000 Artikel über diese Materialien veröffentlicht).
Im Gegensatz zu einigen porösen natürlichen Materialien, wie z. B. Ton, können die inneren Poren dieser künstlichen Superschwämme genau und gleichmäßig auf die Moleküle abgestimmt werden, aus denen die Skelettstruktur besteht. Yaghi und andere Forscher haben auch herausgefunden, wie man MOFs dynamisch machen kann, so dass Gase und andere Stoffe bei Druck- und Temperaturänderungen in die Poren ein- oder austreten können.
Die Chemiker wetteiferten auch mit um die Herstellung des Materials mit der größten inneren Oberfläche:
Dieser Titel wird derzeit von einem 2018 hergestellten MOF namens DUT-60 mit einer inneren Oberfläche von 7.839 Quadratmetern pro Gramm gehalten.
Mit so viel Fläche versprach es ein riesiges Anwendungspotenzial, doch das meiste davon blieb lange Zeit ein Versprechen. Damals war von einer MOF-basierten Verkehrsrevolution und einer wasserstoffbasierten Wirtschaft die Rede, aber die Technologie erwies sich letztlich als zu teuer für solche Anwendungen.
Das große Treffen
Bei der Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung scheint sich jedoch endlich ein Marktdurchbruch anzubahnen. "Bei neuen Materialien muss man manchmal einfach nur darauf warten, dass sich eine Marktchance ergibt, die Investitionen anregt und es ermöglicht, die Produktionskapazität zu erhöhen und die Preise zu senken", sagt Selim. Die Geschichte von Svante veranschaulicht dies. Claude Letourneau, der CEO des Unternehmens, sagt, das Unternehmen habe sich immer auf die CO2-Entfernung aus den Abgasen von Industrieanlagen konzentriert, sich aber nicht auf eine bestimmte Methode festgelegt.
Svante versuchte, ein modifiziertes Siliziumdioxid-Material zur CO2-Abscheidung zu entwickeln, das sich jedoch zu schnell zersetzte, um praktikabel zu sein. Letourneau setzte sich mit der Forschungsgruppe von George Shimizu an der Universität Calgary in Verbindung, die ihm das von ihr entwickelte MOF namens CALF-20 vorstellte. Dieses Material auf Zinkbasis bindet CO2-Moleküle in seinen Poren, selbst in Gegenwart von Wasser, dem Hauptbestandteil von Rauchgasen.
Letourneau erkannte sofort, dass dies genau das war, was sie brauchten, aber die Herstellung erschien ihm zunächst zu teuer. Also beauftragte er Shimizu mit der Entwicklung einer einfacheren Lösung, die auch in großen Mengen funktionieren würde. Und ein Jahr später war die Lösung gefunden:
Die Forscher entwickelten eine sehr einfache Methode und erkannten, dass CALF-20 in großen Mengen kostengünstig aus Chemikalien hergestellt werden kann, die in einer Mischung aus Wasser und Methanol gelöst sind.
Die Svante-Forscher entwickelten diese Methode weiter und stellten zunächst Kilogramm und dann Tonnen der Substanz her. In der Zwischenzeit, so Selim, sind mehrere andere Unternehmen dazu übergegangen, sich auf MOFs zur Kohlenstoffabscheidung zu konzentrieren. Promethean Particles beispielsweise, ein 2007 aus der Universität Nottingham im Vereinigten Königreich ausgegründetes Unternehmen, das Nanopartikel entwickelt, hat sich auf die Entwicklung von MOFs für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung spezialisiert.
Unbegrenztes Potenzial
Nuada in Belfast, ehemals MOF Technologies, entwickelt ebenfalls ein Produkt auf MOF-Basis für die Abscheidung und Speicherung von Kohlenstoff. Nuada führt Pilotversuche zur Kohlenstoffabscheidung in einer Müllverbrennungsanlage in Knottingley durch. Selim sagt jedoch, dass das BASF-Svante-Verfahren nach den vorliegenden Informationen das einzige ist, mit dem MOFs in kommerziellem Maßstab hergestellt werden können.
MOFs sind nicht unbedingt für alle Arten der Kohlenstoffabscheidung geeignet. Es ist schwieriger, CO2 direkt aus der Luft abzuscheiden als aus dem Abgas von Industrieanlagen, da die CO2-Konzentration geringer ist. Svante liefert Materialien zur Kohlenstoffabscheidung an Climeworks, ein Unternehmen für die direkte Abscheidung aus der Luft mit Sitz in Zürich, Schweiz, aber diese basieren nicht auf MOFs, sondern auf einer Chemikalie, die üblicherweise für die Kohlenstoffabscheidung verwendet wird, dem porösen Amin, sagt Letourneau.
Im Oktober 2024 berichtete Yaghi jedoch, dass es seinem Forschungsteam gelungen sei, einen COF herzustellen, der CO2 direkt aus der Luft abscheidet - eine vielversprechende Entwicklung.
Er sagte, sein Team arbeite derzeit an , um die Synthese der Substanz zu vereinfachen. Aber es gibt auch Entwicklungen, um Wasser aus der Luft abzuscheiden, giftige Gase zu filtern und zu speichern, und trotz früherer Sackgassen glauben viele, dass es ein Potenzial für die Speicherung von Wasserstoff auf diese Weise gibt. Mit anderen Worten: Alles deutet darauf hin, dass MOFs dieses Mal tatsächlich praktische Anwendungen erreichen könnten.
