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
© Foto 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

© Foto Fraunhofer ICT
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Metallorganische Gerüststrukturen (engl. Metal-Organic Frameworks, MOFs) bilden eine neue Klasse mikroporöser Materialien, die sich durch große spezifische Porenvolumina bis zu 3,60 cm3/g und 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 wie Zn, Cu und Zr 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, Drug Delivery, Umweltsanierung und Katalyse.

Synthese und Aufskalierung

Das Fraunhofer ICT betreibt anwendungsorientierte und industrienahe Forschung auf dem Gebiet der Metal-Organic Frameworks. Dabei stehen zunächst Fragen der ökonomischen Herstellung von MOF-Verbindungen und deren Aufskalierung in den kg-Maßstab im Vordergrund, die die Grundlage für spätere Produktentwicklungen bilden. Ziel der Arbeiten ist es, Syntheseverfahren aus der akademischen Grundlagenforschung einer reaktions- und verfahrenstechnischen Optimierung zu unterziehen und dabei Syntheseaufwand und Kosten drastisch zu senken. Hierbei spielen Fragen des Rohstoff- und Energieeinsatzes, der Abfallströme, der Produktqualität, der Raum-/Zeit-Ausbeuten sowie der Sicherheit und Aufskalierbarkeit eine wesentliche Rolle.

Bei der Exploration neuer MOF-Materialien setzt das Fraunhofer ICT 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.

MOF-Anwendungen

Aktuelle Forschungsschwerpunkte bei der Produktentwicklung sind die Bereiche Reaktivgasspeicherung, selektive Gefahrstoffsensorik und Flüssigphasenkatalyse unter Einsatz von MOF-Materialien. Auf Basis literaturbekannter MOF-Verbindungen werden Strategien zur Funktionsoptimierung entwickelt, beispielsweise durch Modifikation von Linkern oder Post-Funktionalisierung der gesamten MOF-Verbindung. In einer mehrjährigen strategischen Kooperation mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten (Fraunhofer IWS, IKTS, IGB, ISE und UMSICHT) werden weitere MOF-Anwendungsfelder in den Bereichen Gasspeicherung, Wärmespeicherung, Gastrennung und Sensorik erarbeitet. Darüber hinaus werden Verfahren zur Formgebung und Herstellung von MOF-Halbzeugen sowie neue Charakterisierungstechniken entwickelt.

Unser Angebot

  • Wir bieten unseren Kunden und Projektpartnern einen schnellen Zugang zu den vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Metal-Organic Frameworks.
  • Wir bieten umfangreiche FuE-Dienstleistungen in Form von Machbarkeitsstudien und Expertisen sowie Produkt und Prozessentwicklungen an.
  • Wir entwickeln, analysieren und optimieren MOF-Synthesen und MOF-Prozesse für kundenspezifische Anforderungen vom Labor- bis in den Technikumsmaßstab.

EU/BMBF-Projekt: SENSIndoor, Nanotechnology based intelligent multi-SENsor System with selective pre-concentration for Indoor air quality control

SENSIndoor aims to develop novel, nanotechnology-based intelligent sensor systems for the selective monitoring of volatile organic compounds (VOC) for demand-controlled ventilation in indoor environments. Greatly reduced energy consumption without adverse health effects caused by the Sick Building Syndrome requires optimized ventilation concepts adapted to specific application scenarios like offices, hospitals, schools, nurseries or private homes. These must be based on selective detection and reliable quantification of relevant VOCs such as formaldehyde or benzene at ppb or even sub-ppb levels in complex environments. The project addresses two sensor technologies with MEMS-based metal oxide semiconductor gas sensors and SiC-based gas-sensitive field effect transistors. Gas-sensitive layers for both sensor technologies are achieved using pulsed laser deposition for well-defined, stable and highly-sensitive nanostructured layers. These are combined with gas pre-concentration to boost the sensitivity of the overall system. Dynamic operation of the gas sensor elements by temperature cycling combined with pattern recognition techniques is employed to further boost sensitivity and selectivity, and is expanded to make optimal use of the gas pre-concentration. The project thus combines physical and chemical nanotechnologies for extremely sensitive and selective gas sensing, MEMS technologies for low-power operation as well as low-cost manufacture and finally dynamic operating modes together with advanced signal processing for unrivalled system performance. Sensor elements and systems are evaluated under controlled lab conditions derived from priority application scenarios. The final demonstration of the SENSIndoor technology will include field tests with sensor systems integrated into building control systems. The project is funded by the European Community’s Seventh Programme under grant agreement no. 604311.

Fraunhofer MAVO »MOF2market«, Metal-Organic Frameworks: Technologie- und Marktentwicklung für eine neue Klasse hochporöser Materialien

Im Rahmen des Projekts werden neuartige MOF-basierte Anwendungen in den Bereichen Solartechnologie, Membrantechnologie, Sensorik, Diagnostik, Gasspeicherung und  chemischen Verfahrenstechnik entwickelt, die aufgrund der einzigartigen MOF-Eigenschaften neue bzw. bessere Leistungsparameter zeigen und vielfältige Zielmärkte adressieren. Am Fraunhofer ICT werden Herstellungsverfahren und -strategien für die Integration in ein industrielles Umfeld reaktions- und verfahrenstechnisch als auch ökonomisch fortentwickelt, mit dem Ziel einer möglichst flexiblen Bereitstellung von MOF-Substanzen im technischen Maßstab. Zudem werden MOF-basierte Speichersysteme für hochreaktive Gase und Flüssigkeiten entwickelt.  Die Kooperation von sechs Fraunhofer Instituten läuft von März 2012 bis Februar 2015.