Forschungsteam entwickelt spezielles mikroporöses Material aus Hafnium und Zirkonium zur Wasseradsorption.
Bereits jetzt ist die Trinkwasserversorgung in vielen trockenen Weltregionen kritisch – eine Situation, die sich durch den fortschreitenden Klimawandel noch verschärft. Ein möglicher Lösungsbeitrag, der derzeit erforscht wird, ist die Wassergewinnung aus der Umgebungsluft, denn selbst in den trockensten Gebieten der Erde ist eine gewisse Luftfeuchtigkeit vorhanden.
Als hilfreich könnte sich dabei ein Material auf Basis der Metalle Zirkonium und Hafnium erweisen, entwickelt von einem Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen Universität Dresden (TUD). Dabei handelt es sich um sogenannte MOFs (von „metal-organic frameworks“, zu Deutsch metall-organische Gerüstverbindungen), eine seit rund 25 Jahren bekannte Stoffklasse: künstliche Netzwerke aus Metallionen und organischen Molekülen als Verbindungselemente. MOFs besitzen eine offene, hochporöse Struktur, ähnlich den Poren eines Küchenschwamms, und eine enorm große innere Oberfläche. Sie können für eine Fülle potentieller Anwendungen eingesetzt werden wie die Speicherung von Gas, die Trennung von Stoffen, die Katalyse, die Sensorik oder als Depot für Medikamente. Die Wassergewinnung gilt dem HZDR zufolge als besonders vielversprechendes Verfahren.
In seiner Forschungsarbeit synthetisierte das Team zwei MOFs auf Grundlage von Zirkonium und Hafnium, gehalten vom selben organischen Gerüst. In der Natur kommen die beiden Elemente stets gemeinsam vor. Anschließende Untersuchungen mit verschiedenen Techniken bescheinigten den Materialien eine hohe Adsorptionskapazität, heißt es in der im Fachjournal ACS Applied Materials & Interfaces erschienenen Studie. Aufgrund der großen Ähnlichkeit von Zirkonium und Hafnium zeichnen die resultierenden metallorganischen Gerüste sich durch exakt gleiche Porengrößen und eine hohe chemische Stabilität aus, erklärt Stefan Kaskel, Inhaber der Professur für Anorganische Chemie I an der TU Dresden.
Metallorganische Gerüstverbindungen können in den von ihnen gebildeten Poren reversibel Wasser aus der Luft aufnehmen.
Photo: B. Schröder/ HZDR
Grundlage für künftige Materialien zur Wassergewinnung aus der Luft
Die Studie liefere auch Erkenntnisse über den generellen Mechanismus der Wasseradsorption von MOFs, der bislang nur unzureichend verstanden sei. Auf dieser Grundlage könnten künftig bessere Materialien für die Wassergewinnung aus der Luft entwickeln werden, etwa in adsorptionsgetriebenen Wärmepumpen: MOFs, die Wassermoleküle aus der Atmosphäre einfangen und diese durch Wärmezufuhr oder Druckverringerung wieder freisetzen.
Bis die Technologie kommerziell eingesetzt werden kann, gibt es indes noch einiges zu tun, unter anderem kostengünstige Lösungen zur Herstellung großer Mengen an MOFs. Da es dafür neue umweltfreundliche Herstellungsverfahren brauche, nutze das Team der TU Dresden bereits entsprechende Prinzipien der „grünen Chemie“.
Mehr Innovation: „Wundermaterialien“ MOFs – die künstlichen Netzwerke könnten auch für viele weitere Herausforderungen dieser Zeit einen wichtigen Beitrag leisten, etwa bei der Neutralisierung von Abgasen oder der Entschärfung chemischer Waffen.
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