Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metal-Organic Frameworks, MOFs) bilden eine neue Klasse hochporöser Materialien, die sich durch große spezifische Porenvolumina von bis zu 3,60 cm3/g und hohe spezifische Oberflächen von bis zu 7.000 m2/g auszeichnen. Die Eigenschaften etablierter poröser Materialien wie Aktivkohlen oder Zeolithe werden durch die MOFs deutlich übertroffen.
MOFs sind aus metallischen Clustern und organischen Brückenmolekülen modular aufgebaut. Durch diese Kombinationsmöglichkeiten lassen sich MOFs mit sehr unterschiedlichen Materialeigenschaften entwickeln. Sowohl die Porengröße als auch die chemische Beschaffenheit der Porenwände kann auf die Anwendung maßgeschneidert werden. Dadurch können MOF-Substanzen in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern, insbesondere in den Bereichen Gasspeicherung, Trenntechnik, Sensorik und Katalyse eingesetzt werden.
Neue Herstellungsverfahren für MOFs sind der Schlüssel zur Anwendung
Der kommerzielle Zugang zu MOF-Substanzen und ihre mengenmäßige Verfügbarkeit stellen gegenwärtig entscheidende Hürden für die weitere Anwendungserprobung dieser vielversprechenden Substanzklasse dar. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT widmet sich deshalb den wirtschaftlich und technisch entscheidenden Fragen zur reaktions- und verfahrenstechnischen Optimierung von MOF-Synthesen und deren Aufskalierung. Dabei spielen Synthesekapazitäten, Ausbeuten, Rohstoff- und Energiekosten, Sicherheit und Ökobilanz eine zentrale Rolle. Zudem müssen Herstellungsstrategien entwickelt werden, die eine möglichst flexible Bereitstellung von MOF-Substanzen im technischen Maßstab ermöglichen, um damit unterschiedliche MOFs für Demonstratoren und zur Validierung von industriellen Anwendungen verfügbar zu machen.
Konti-Prozess löst Batch-Prozess ab
Für die Synthese unterschiedlicher MOF-Substanzen wird konsequent von der herkömmlichen diskontinuierlichen Batch-Herstellung auf kontinuierliche Prozessfahrweisen umgestellt. Dies erlaubt, z.T. unterstützt durch mikroverfahrenstechnische Komponenten, eine wesentlich genauere Kontrolle über Massentransport und Verweilzeitcharakteristik im Vergleich zu herkömmlichen Batch-Reaktoren. Über mehrere Entwicklungszyklen gelang dem Fraunhofer ICT so eine signifikante Prozessoptimierung sowohl im Hinblick auf Durchsatz und Produktqualität als auch Herstellungskosten. Typische Synthesekapazitäten liegen gegenwärtig im Bereich mehrerer Kilogramm pro Tag, bei Herstellungskosten von deutlich unter 1 Euro pro Gramm.
Mit dem kontinuierlichen Syntheseansatz wurde bewusst ein skalierbares Reaktorkonzept gewählt. Durchsatzsteigerungen werden durch entsprechende Parallelisierung von Reaktionssträngen unter Erhalt der gewählten Dimensionierungen und damit unter Erhalt von optimierten Stoff- und Wärmetransportbedingungen sowie optimiertem Verweilzeitverhalten realisiert. Dadurch wird ein klassisches Problem bei der Aufskalierung von Batch-Prozessen, die veränderten Oberflächen- und Volumenverhältnisse, umgangen.
Neueste Entwicklungen werden auf der ACHEMA 2015 vorgestellt
Auf der ACHEMA 2015 (Halle 9.2, Stand D64) zeigt das Fraunhofer ICT seine neuesten Arbeiten und Entwicklungen auf dem Gebiet der MOF-Herstellung und Anwendung.
Darüber hinaus werden Entwicklungsergebnisse einer mehrjährigen strategischen Kooperation mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten (Fraunhofer IWS, IKTS, IGB, ISE und UMSICHT) präsentiert, die neben der MOF-Formgebung weitere MOF-Anwendungsfelder in den Bereichen Gasspeicherung, Wärmespeicherung, Gastrennung und Sensorik zeigen.
MOFs sind aus metallischen Clustern und organischen Brückenmolekülen modular aufgebaut. Durch diese Kombinationsmöglichkeiten lassen sich MOFs mit sehr unterschiedlichen Materialeigenschaften entwickeln. Sowohl die Porengröße als auch die chemische Beschaffenheit der Porenwände kann auf die Anwendung maßgeschneidert werden. Dadurch können MOF-Substanzen in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern, insbesondere in den Bereichen Gasspeicherung, Trenntechnik, Sensorik und Katalyse eingesetzt werden.
Neue Herstellungsverfahren für MOFs sind der Schlüssel zur Anwendung
Der kommerzielle Zugang zu MOF-Substanzen und ihre mengenmäßige Verfügbarkeit stellen gegenwärtig entscheidende Hürden für die weitere Anwendungserprobung dieser vielversprechenden Substanzklasse dar. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT widmet sich deshalb den wirtschaftlich und technisch entscheidenden Fragen zur reaktions- und verfahrenstechnischen Optimierung von MOF-Synthesen und deren Aufskalierung. Dabei spielen Synthesekapazitäten, Ausbeuten, Rohstoff- und Energiekosten, Sicherheit und Ökobilanz eine zentrale Rolle. Zudem müssen Herstellungsstrategien entwickelt werden, die eine möglichst flexible Bereitstellung von MOF-Substanzen im technischen Maßstab ermöglichen, um damit unterschiedliche MOFs für Demonstratoren und zur Validierung von industriellen Anwendungen verfügbar zu machen.
Konti-Prozess löst Batch-Prozess ab
Für die Synthese unterschiedlicher MOF-Substanzen wird konsequent von der herkömmlichen diskontinuierlichen Batch-Herstellung auf kontinuierliche Prozessfahrweisen umgestellt. Dies erlaubt, z.T. unterstützt durch mikroverfahrenstechnische Komponenten, eine wesentlich genauere Kontrolle über Massentransport und Verweilzeitcharakteristik im Vergleich zu herkömmlichen Batch-Reaktoren. Über mehrere Entwicklungszyklen gelang dem Fraunhofer ICT so eine signifikante Prozessoptimierung sowohl im Hinblick auf Durchsatz und Produktqualität als auch Herstellungskosten. Typische Synthesekapazitäten liegen gegenwärtig im Bereich mehrerer Kilogramm pro Tag, bei Herstellungskosten von deutlich unter 1 Euro pro Gramm.
Mit dem kontinuierlichen Syntheseansatz wurde bewusst ein skalierbares Reaktorkonzept gewählt. Durchsatzsteigerungen werden durch entsprechende Parallelisierung von Reaktionssträngen unter Erhalt der gewählten Dimensionierungen und damit unter Erhalt von optimierten Stoff- und Wärmetransportbedingungen sowie optimiertem Verweilzeitverhalten realisiert. Dadurch wird ein klassisches Problem bei der Aufskalierung von Batch-Prozessen, die veränderten Oberflächen- und Volumenverhältnisse, umgangen.
Neueste Entwicklungen werden auf der ACHEMA 2015 vorgestellt
Auf der ACHEMA 2015 (Halle 9.2, Stand D64) zeigt das Fraunhofer ICT seine neuesten Arbeiten und Entwicklungen auf dem Gebiet der MOF-Herstellung und Anwendung.
Darüber hinaus werden Entwicklungsergebnisse einer mehrjährigen strategischen Kooperation mit fünf weiteren Fraunhofer-Instituten (Fraunhofer IWS, IKTS, IGB, ISE und UMSICHT) präsentiert, die neben der MOF-Formgebung weitere MOF-Anwendungsfelder in den Bereichen Gasspeicherung, Wärmespeicherung, Gastrennung und Sensorik zeigen.
