Wasseradsorption mit metallorganischen Gerüsten Ein Schluck Luft gefällig?

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Trinkwasser aus der Luft gewinnen ist mit bestimmten porösen Materialien besonders effektiv möglich. Sie saugen die Luftfeuchtigkeit auf wie ein Schwamm und geben sie bei Erwärmung wieder frei. Wie die Wasseradsorption in solchen metallorganischen Gerüsten abläuft, haben Forscher nun genauer untersucht.

Trockenheit und Wassermangel werden ein zunehmendes Problem und erfordern neue Wege der Trinkwasserversorgung. Ein Ansatz ist die Wassergewinnung aus der Luft, die sich zum Beispiel in bestimmten Wüstengebieten anbietet, in denen sich in den frühen Morgenstunden Nebel bildet. Hier kommen so genannte hierarchische metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) ins Spiel, die seit etwa 25 Jahren bekannt sind. Wie sich gezeigt hat, können sie Wasser aus der Luft aufnehmen. Den Mechanismus dahinter haben nun Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen Universität Dresden (TUD) entschlüsselt.

„Bei diesen speziellen Materialien handelt es sich um hochporöse Festkörper aus Metallen oder Metall-Sauerstoff-Clustern, die durch Säulen aus organischen Verbindungen modular verbunden sind“, erklärt Dr. Ahmed Attallah vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Durch diese 3D-Anordnung entstehen Netzwerke von Hohlräumen, die an die Poren eines Küchenschwamms erinnern. Genau diese Hohlräume sind es, die uns interessieren.“

Die Leere erforschen

Für ihre Studie zur Wasseradsorption an MOFs synthetisierte das Forschungsteam zwei Strukturen auf der Basis der Metalle Zirkonium und Hafnium, die vom selben organischen Gerüst gehalten werden. Anschließend untersuchten die Forschenden die Eigenschaften der hergestellten Materialien. Zum einen bestimmten sie, wie viel Stickstoff oder Wasserdampf in den Poren des Materials eingeschlossen werden kann. Zum anderen untersuchten sie den genauen Mechanismus der Wasseradsorption in den MOFs, der bis dato nicht gut verstanden war. „Um Licht in den Prozess zu bringen, haben wir eine zerstörungsfreie Technik verwendet, die als Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie oder kurz PALS bekannt ist“, sagt Dr. Andreas Wagner, Leiter des ELBE-Zentrums für Hochleistungs-Strahlungsquellen am HZDR. „Dabei tritt ein Positron mit Elektronen – seinen Antiteilchen – in Wechselwirkung und setzt Gammastrahlen frei, die nachgewiesen werden können. Die Zeit zwischen der Emission von Positronen aus einer radioaktiven Quelle und dem anschließenden Nachweis von Gammastrahlen ist die Lebensdauer der Positronen. Diese wiederum hängt davon ab, wie schnell sie auf Elektronen treffen“, beschreibt der Experte das Prinzip.

Wenn Hohlräume im Material vorhanden sind, z. B. Nanoporen, neigen Positronen und Elektronen dazu, so genannte Positronium-Atome zu bilden. In ihnen kreisen jeweils ein Elektron und ein Positron um ihren gemeinsamen Massenschwerpunkt und bewegen sich so lange aufeinander zu, bis das Teilchenpaar entweder zerstreut oder vernichtet wird – je nachdem, was zuerst eintritt. Diese exotischen Atome leben länger in größeren Hohlräumen und geben daher Informationen über die Größe und Verteilung des jeweiligen Hohlraums preis.

Der Adsorptionsmechanismus in MOFs

Das Team fand heraus, dass die Wasseradsorption in den MOFs hauptsächlich durch einen schrittweisen Füllmechanismus, einschließlich der Vernetzung von Flüssigkeit in den Poren, gesteuert wurde. Die Wasseradsorption wurde durch die Bildung von Wasserclustern auf der Porenoberfläche beeinflusst, wodurch kleine Luftspalten in den Poren entstanden.

„Aufgrund der großen chemischen Ähnlichkeit der Metalle Zirkonium und Hafnium haben die resultierenden metallorganischen Gerüste exakt die gleichen Porengrößen und eine hohe chemische Stabilität, sodass wir gleichzeitig die Anwendbarkeit unserer Methode nachweisen konnten“, erklärt Prof. Stefan Kaskel, Inhaber der Professur für Anorganische Chemie I an der TU Dresden. Die Forschungsarbeiten seiner Gruppe konzentrieren sich auf die Entwicklung neuartiger funktioneller Materialien für verschiedene Anwendungen, wie Energiespeicherung und -umwandlung, Umweltkatalyse und Wasseradsorption.

Wüstenluft auspressen

Laut den Forschern liefert die Studie neue Erkenntnisse über den Mechanismus der Wasseradsorption in hierarchischen MOFs, die dazu beitragen könnten, bessere Materialien für die Gewinnung von Wasser aus der Luft zu entwickeln. Dies ist vor allem in trockenen Regionen der Welt wichtig. MOFs können Wassermoleküle aus der Atmosphäre einfangen. Durch Zufuhr von Wärme oder Verringerung des Drucks kann das Wasser dann wieder freigesetzt und genutzt werden. Und die Wissenschaftler denken bereits weiter: Eignet sich die Technologie für kommerzielle Anwendungen? 1,3 Liter Wasser pro Kilogramm MOF pro Tag aus Wüstenluft, wie von einer anderen Gruppe auf dem Gebiet berichtet, geben eine Vorstellung von der Größenordnung der derzeit praktisch erreichbaren Ausbeute.

Für eine nachhaltige Gesamtlösung müssen jedoch neben dem Ertrag auch andere Faktoren berücksichtigt werden. „Um die Wassergewinnung mit MOFs zu erweitern, sollten sie in großen Mengen kostengünstig verfügbar sein. Außerdem erfordern herkömmliche Syntheserouten große Mengen an organischen Lösungsmitteln oder den Erwerb teurer Molekül-Bausteine“, weisen Kaskel und Attallah auf mögliche Fallstricke hin. Um diese zu vermeiden, werden in Zukunft neu entwickelte, so genannte „grüne“ Syntheseverfahren an Bedeutung gewinnen, die eine umweltfreundliche Herstellung von MOFs gewährleisten sollen. Das Team aus Dresden folgt dieser Idee bereits, indem es die Prinzipien der grünen Chemie nutzt: Sie verwenden etwa Wasser als Lösungsmittel, betreiben Reaktionen bei energiesparenden, niedrigen Temperaturen und Nutzen Abfallstoffe als Quelle für Metalle und organische Komponenten.

Originalpublikation: A.G. Attallah, V. Bon, K. Maity, E. Hirschmann, M. Butterling, A. Wagner, S. Kaskel: Unravelling the Water Adsorption Mechanism in Hierarchical MOFs: Insights from In Situ Positron Annihilation Lifetime Studies, ACS Applied Materials & Interfaces, 2023, 15, 41, 48264–48276; DOI: 10.1021/acsami.3c10974

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