Nanoporöse Materialien

Forschungsfelder im Arbeitsbereich Nanoporöse Materialien sind geprägte Polymere, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip die Entwicklung z.B. von selektiven Sensoren ermöglichen und metallorganische Gerüststrukturen  beispielsweise für Anwendungen in den Bereichen Gasspeicherung, Trenntechnik und Sensorik. Aktuelle Forschungsprojekte sind das EU/BMBF-Projekt "SENSIndoor" und die Fraunhofer-Kooperation "MOF2market".

Geprägte Polymere (Molecularly Imprinted Polymers)

Molecular Imprinted Polymers
© Fraunhofer ICT
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Das molekulare Prägen von Polymeren, molecular imprinting genannt, ist eine sehr elegante und überaus wirkungsvolle Art zur Herstellung funktioneller Materialien, die über selektive Erkennungsmerkmale verfügen. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip können selektive Materialien für verschiedene Anwendungen wie Sensoren, Reinigung von Gemischen oder Anreicherung hergestellt werden.

Vorteile und Anwendungen

Molecularly Imprinted Polymers (MIP) werden hergestellt, indem hochgradig vernetzte Polymere in Gegenwart von Mustermolekülen (Templaten), die als Schablone dienen, synthetisiert werden. Durch Selbstorganisation passt sich das wachsende Polymergerüst dem molekularen Muster an und bildet quasi einen Abdruck des Mustermoleküls. Diese sind durch die geometrische Anpassung sowie die Wechselwirkungen der funktionellen Gruppen wie zum Beispiel Wasserstoffbrückenbildung selektiv für das Mustermolekül und eignen sich dadurch als selektive Sensorbeschichtung oder als Anreicherungsmaterial.

Am Fraunhofer ICT werden MIPs als Sensorschichten zur Explosivstoffdetektion und ebenso als Partikel zur Anreicherung von schwerflüchtigen Verbindungen entwickelt. Dazu werden verschiedene Beschichtungstechniken wie Nanoplotter, Spincoater, Siebdruck und verschiedene Synthesemethoden (UV-Polymerisation, Suspensionspolymerisation, Core-Shell-Partikel) eingesetzt. Die Palette möglicher Analyten reicht von Explosivstoffen, über toxische Stoffe wie Pflanzenschutzmittel bis hin zu Naturstoffen wie z.B. Steroide.

Leistungen

  • Synthese von MIP-Materialien für kundenspezifische Zielmoleküle zur Anreicherung/Extraktion oder als selektive Sensorbeschichtung
  • Anpassung bzw. Entwicklung von Beschichtungsverfahren für verschiedene Sensoroberflächen
  • Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften und Partikelgrößenverteilungen
  • Charakterisierung der Adsorptionseigenschaften für das verwendete Templat

Metal-Organic Frameworks

© Fraunhofer ICT
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Metallorganische Gerüstverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks, MOFs) bilden eine neue Klasse mikroporöser Materialien, die sich durch hohe spezifische Oberflächen bis zu 7000 m2/g auszeichnen und dabei etablierte poröse Materialien wie Aktivkohlen oder Silikate deutlich übertreffen.

Struktur

MOFs sind aus metallischen Clustern und organischen Brückenmolekülen (sog. Linker, z. B. Terephthalate, Imidazolate) aufgebaut, was zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten und damit eine Vielzahl an MOF-Materialien mit unterschiedlichsten Materialeigenschaften ermöglicht. Diese Vielfalt erlaubt den Einsatz poröser MOF-Materialien in unterschiedlichen Anwendungsfeldern, insbesondere in den Bereichen Gasspeicherung, Trenntechnik, Sensorik, Wassersanierung, Schutz und Katalyse.

MOF-Anwendungen

Wir betreiben angewandte Forschung auf dem Gebiet der metallorganischen Gerüste, untersuchen und testen deren Anwendbarkeit in verschiedenen Bereichen, wie z.B. Adsorptive Trennung von toxischen und industriellen Gasen (TICs; VOCs), Personenschutz, CO2-Capture, atmosphärische Wassergewinnung. Diese Ergebnisse werden durch die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien mit spezifischen strukturellen Eigenschaften in Bezug auf Oberfläche, Porengröße und -form, Hydrophobie, mechanische Festigkeit usw. erzielt.

Das Design, die Synthese und die Skalierung eines Materials, das auf ein bestimmtes Ziel ausgerichtet ist, ist jedoch mit einem erheblichen technologischen Risiko und erheblichen Implementierungskosten verbunden. MOFs werden auch als Wirkstoff eines Verbundmaterials auf Basis der klassischen Matrix (Graphenoxid, Aktivkohle, Zeolithe, Kieselgel) eingesetzt. Durch die Herstellung dieser Komposite werden die technologischen Nachteile der Matrix mit integrierten MOFs minimiert, wodurch Verbundwerkstoffe mit begrenzten Produktionskosten und verbesserten Leistungen hergestellt werden. MOFs ermöglichen es, aufgrund ihrer besonderen strukturellen Zusammensetzung beispiellose berichtete Ergebnisse zu erzielen, die es ermöglichen, Lösungen für auftretende Probleme zu finden. Die weitere kontinuierliche Entwicklung sorgt derzeit für Innovationen in den Bereichen Carbon Capture Utilization and Storage (CCUS), Atmoshperic Water Harvesting (AWH), Wassersanierung und Abgasbehandlung.

Bei der Exploration neuer MOF-Materialien setzen wir bereits in einem frühen Stadium der Syntheseentwicklung auf Screening-Verfahren in Parallel- und/ oder kontinuierlichen Reaktionssystemen. Für die Charakterisierung der Syntheseprodukte stehen modernste Analysemethoden zur Verfügung, insbesondere im Hinblick auf Struktur, spezifische Oberfläche, Adsorptionsverhalten und chemische und thermische Stabilität der porösen Materialien.

 

Unser Angebot

  • Leistungsbewertung innovativer Materialien für TICs und VOCs Adsorption und Separation
  • Entwicklung und Evaluierung MOFs für AWH und CCUS
  • Synthese und Scale-Up von MOFs und MOFs-Verbundwerkstoffen
  • Entwicklung, Analyse und Optimierung kundenspezifische Anforderungen für MOF-Prozesse

Projekte

MOFSCHUTZ

Ziel des Verbundprojekts ist es, eine neue Generation an persönlicher Schutzausrüstung (Filtersysteme) und Atemschutzmasken-Filtern für zivile Schutz- und Einsatzkräfte zu entwickeln. Hierbei kommen MOFs zum Einsatz, um luftgetragene Ziel-Gefahrstoffe in relevanter Umgebung nachhaltig zu adsorbieren. Es geht hierbei vor allem um die Gefahrstoffe, welche derzeit von den hierbei üblicherweise eingesetzten Aktivkohlen (mit oder ohne Metallsalz-Imprägnierung) nicht hinreichend adsorbiert werden können und trotzdem ein hohes Gefährdungspotenzial tragen. Beispiele hierfür sind Schwefel-Wasserstoff (H2S), Kohlenmonoxid (CO), Ammoniak (NH3) oder Stickoxide (NOx).

MOFHAUBE

Im Rahmen dieses MEF-Fraunhofer-Intern Projekts werden innovative MOF-basierte Filtermaterialien hergestellt. MOF-Aktivkohlen-Kompositen wurden bereits hergestellt und deren Leistung gegen H2S und NH3 wurde gemessen. Die vielversprechenden hergestellten MOF-Filter werden in einer Küchenabzugshaube getestet.

ARTEMIS

Eine umfassende Machbarkeitsstudie über die neue Technologie der CO2-Capture mit MOFs wurde erstellt. Mehrere MOF-Kandidaten wurden für verschiedene Anwendungsszenarien identifiziert, wie z.B.: Rauchgasanlagen, städtische CO2-Abtrennung, CO2-Abtrennung in engen Räumen.

Water-Harvesting

Die Fähigkeit einiger MOF-Materialien, Wasserdampf unter atmosphärischen Bedingungen ohne den Einsatz externer Stromquellen zu adsorbieren und zu desorbieren, wurde getestet. Wasseradsorptions- und -desorptionsexperimente wurden in Klimakammern durchgeführt und die Stabilität der untersuchten MOFs nach der Adsorption-Desorption wurde bestätigt.

Project REMEDIA

Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) and cystic fibrosis (CF) are two very debilitating non-communicable diseases that are of particular interest to consider in parallel in a human exposome study. Their roots are opposite COPD is currently considered to be mainly related to the external exposome, while factors outside of the exposome play a major role in CF. However, COPD and CF share common characteristics such as high phenotypic variability of unknown origin, which prevents good therapeutic efficacy. It is therefore clear that the overall picture must be supplemented by taking into account additional components of the exposome than those currently considered in COPD and CF. Thus, the overall objective of the REMEDIA project is to extend the understanding of the contribution of the exposome, taken as a complex set of different components, to COPD and CF diseases. We will exploit data from existing cohorts and population registries in order to create a unified global database gathering phenotype and exposome info; we will develop a flexible individual sensor device combining environmental and biomarker toolkits; and use a versatile atmospheric simulation chamber to simulate the health effects of complex exposomes. We will use machine learning supervised analyses and causal inference models to identify relevant risk factors; and econometric and cost-effectiveness models to assess the costs, performance and cost-effectiveness of a selection of prevention strategies. The results will be used to develop guidelines to better predict disease risks and constitute the elements of the REMEDIA toolbox. Deciphering the impact of environmental components throughout life on the phenotypic variability of COPD and CF could represent a major breakthrough in reducing morbidity and mortality associated with these two noncurable diseases and would lead to the identification of modifiable risk factors on which preventive action could be implemented.