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Forscherteam der physikalischen Chemie beseitigt Kammerflimmern in nanoporöser Gastrennmembran

Energieverbrauch in der Kunststoffproduktion könnte erheblich gesenkt werden - 2 ZFM-Mitglieder beteiligt

Die Beschichtung im Saftkarton, das Armaturenbrett im Auto und der Beutel fürs Altpapier: Kunststoffe sind aus dem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Allerdings sind sie vergleichsweise aufwändig herzustellen und der Energieverbrauch ist entsprechend hoch. Einem internationalen Forscherteam der Leibniz Universität Hannover, der Universität Augsburg und des Boreskov-Instituts Novosibirsk ist es erstmals gelungen, durch das Anlegen von elektrischen Feldern die Gastransporteigenschaften von Metallorganischen Netzwerkverbindungen zu verändern. Das Verfahren könnte die Herstellung von Kunststoffen wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen erheblich vereinfachen und dadurch helfen, die Produktionskosten erheblich zu senken. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt im renommierten Journal Science in der Ausgabe vom 20. Oktober 2017 prominent publiziert:

http://science.sciencemag.org/content/358/6361/347

 

Die Herstellung von hochreinem Propylen für die Polymerisation zum Kunststoff Polypropylen (PP) ist sehr energieintensiv. Dies geschieht in der Regel durch das Verfahren der kryogenen (tiefkalten) Destillation, bei der hohe Temperaturspannen notwendig sind, da Temperaturen von bis zu -40 Grad Celsius erzeugt werden müssen. Ein neu entwickeltes Verfahren, das mit einer nanoporösen Gastrennmembran arbeitet, könnte diese aufwändige Destillation ablösen und bis zu 80 Prozent Energie einsparen. Dadurch sinkt außerdem der CO2-Ausstoß. Die Gastrennmembranen bestehen aus Metallorganischen Netzwerkverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks, kurz MOFs), d.h. aus einer dichten Schicht nanoporöser Kristalle.

„MOFs haben durch ihre einstellbaren Porengrößen eigentlich optimale Eigenschaften, um Molekülgrößen zu sieben und z.B. auf Erdgasfeldern Propylen von Propan zu trennen. Es sind allerdings weiche Kristalle und bei Raumtemperatur ist immer eine Vielzahl von Gerüstschwingungen aktiv. Der MOF atmet sozusagen“, sagt Prof. Jürgen Caro, vom Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie der Leibniz Universität Hannover. „Dies führt dazu, dass diese Kristalle unter ihrem eigentlichen Potential als Molekularsieb liegen und auch um ein Vielfaches größere Moleküle durch die Porenöffnungen treten.“

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher MOFs als dünne Membranschichten abgeschieden, durch die dann das zu trennende Gasgemisch geleitet wurde. Gleichzeitig wurde ein elektrisches Feld über eine Plattenkondensatoranordnung angelegt. Dazu musste die im Labor bestehende Technik neu designt und in der eigenen Werkstatt komplett aus Teflon gefertigt werden. „In unserem Messaufbau konnten wir dann den Effekt messen, den ein elektrisches Feld auf dieses Material hat“, sagte Alexander Knebel, und ergänzt: „Wir konnten die Gerüstschwingungen der Membran mit einem elektrischen Feld tatsächlich defibrillieren: Die Propylen/Propan-Trennung verbesserte sich um 33 Prozent durch das elektrische Feld.“ Der Größenunterschied zwischen Propan und Propylen liegt bei nur 0,03 Nanometern. Eine Trennung dieser beiden Moleküle mit Hilfe von maßgeschneiderter Membrantechnologie ist eine ökologisch und ökonomisch hochinteressante, fordernde und von der Industrie stark geförderte Aufgabe.   

An dem Erfolg hat ein internationales Team interdisziplinär zusammen gearbeitet. Für das Verständnis der Messeffekte war unter anderem die Zusammenarbeit mit dem Festkörperchemiker Prof. Dr. Dirk Volkmer in Augsburg, dem Physiker Prof. Dr. Alexander Stepanov in Novosibirsk zur magnetischen Kernresonanz und dem Physiker Prof. Dr. Paul Heitjans in Hannover zur dielektrischen Spektroskopie entscheidend. Finanziert werden die Arbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms COORNET: Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems.

https://www.pci.uni-hannover.de/

https://www.physik.uni-augsburg.de/chemie/

http://www.en.catalysis.ru/

https://www.ids.uni-hannover.de/ids_home.html

 

Für weitere Informationen stehen Ihnen Prof. Dr. Jürgen Caro und Alexander Knebel M.Sc. vom Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie an der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 3175 bzw. 2942 oder per E-Mail unter juergen.caropci.uni-hannover.de sowie alexander.knebelpci.uni-hannover.de gern zur Verfügung.