Metallorganische Materialien

Neue Materialien gewinnen mehr Wasser aus Wüstenluft

Robert Klatt

Neue Erkenntnisse zu porösen metallorganischen Materialien (MOFs) verbessern die Wassergewinnung bei geringer Luftfeuchtigkeit. Es können so Systeme gebaut werden, die aus trockener Wüstenluft sauberes Trinkwasser filtern.

Berlin (Deutschland). In vielen Regionen der Erde ist sauberes Trinkwasser kaum vorhanden. Die Wissenschaft sucht daher noch neuen Möglichkeiten zur Gewinnung von Wasser. Vorgestellt wurde dazu unter anderem kürzlich eine neue Oberflächenbeschichtung aus Polymeren, die es bei einer realistischen Luftfeuchtigkeit ermöglicht, per Kondensation ohne zusätzliche Energie Wasser aus der Luft zu gewinnen.

Wissenschaftler der Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) haben nun im Fachmagazin Science neue Erkenntnisse zu porösen metallorganische Materialien (MOFS) veröffentlicht. Diese spielen bei der Gewinnung von Wasser aus Wüstenluft eine zentrale Rolle, weil sich in ihren winzigen Hohlräumen Wassermoleküle besonders gut verfangen. Die nun veröffentlichte Studie liefert Details zu den dabei stattfindenden molekularchemischen Vorgängen und kann somit bei der weiteren Optimierung der Materialien helfen.

Poröse Gerüststruktur

In MOFs bilden organische Stoffe und Metalle gemeinsam eine poröse Gerüststruktur, die dank ihrer vielen winzigen Hohlräumen eine große innere Oberfläche besitzt. MOFs auf Aluminiumbasis ermöglichen es deshalb bereits bei einer Luftfeuchtigkeit von nur 20 Prozent Wasser in den Hohlräumen einzufangen. Anschließend sorgt die Wärme der Sonne dafür, dass das geerntete Wasser aus dem MOF herausgepresst wird. Es kann so sauberes Trinkwasser ohne zusätzliche Energie gewonnen werden.

Viele Forscher sehen MOFs daher als Schlüsseltechnologie, um Menschen in trockenen Gebieten mit Wasser zu versorgen. Wie  die Wassermoleküle in den MOFs hängen bleiben, konnte die Forschung bisher aber nicht vollständig erklären.

Röntgenkristallographie untersucht Hohlräume

Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Joachim Sauer und Prof. Dr. Laura Gagliardi haben deshalb mit quantenchemischen Berechnungen und der Röntgenkristallographie die Hohlräume in den MOFs auf atomarer Ebene untersucht. Sie konnten so bestimmen, wieso sich die Wassermoleküle der Luft in dem metallorganischen Gerüst sammeln.

Die ersten Wassermoleküle verbinden sich demnach mit den organischen Stoffen des MOFs. Anschließend verbinden sich weitere Wassermoleküle in einem deutlich besser ablaufenden Prozess mit den bereits eingefangenen Molekülen. In den Hohlräumen entstehen so Cluster, die zu einem Netzwerk zusammenwachsen. Entscheidend bei diesem Prozess ist, dass die ersten Wassermoleküle nicht zu stark mit dem MOF verbunden sind, weil sie sonst später nur schwer auf dem Material herausgepresst werden können.

Neue metallorganische Materialien

Anschließend entwickelten die Forscher auf Basis ihrer neuen Erkenntnis MOFs, in denen die Wassermoleküle Cluster bilden können, ohne sich dabei fest mit den organischen Stoffen zu verbinden. „Die Entwicklung von wasseraufnehmenden Materialien basierte bisher auf dem Prinzip Versuch und Irrtum. Da wir jetzt verstehen, wie die molekulare Evolution von Wasserstrukturen in metallorganischen Materialen funktioniert, können wir diese auf atomarer Ebene gezielt optimieren“, erklärt Prof. Dr. Joachim Sauer.

Weil Wassermoleküle sich in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit und Außentemperatur unterschiedlich verhalten, können die Wissenschaftler nun MOFs erstellen, die optimiert für bestimmte Umweltbedingungen sind. MOFs können so auch in kühleren Gegenden verwendet werden.

Science, doi: 10.1126/science.abj0890

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