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Da mikroporöse MOF-Materialien üblicherweise als feine Pulver anfallen kann ihr Potenzial für unterschiedlichste Anwendungsszenarien wie z. B. sorptive Wärmespeicherung und Kältebereitstellung, Gasspeicherung oder Katalyse oft nur durch eine entsprechende Formgebung ausgeschöpft werden. Da die Methode der Wirbelschichtgranulierung nur mit sehr materialintensiven Versuchsreihen erforscht werden kann werden diesem Verfahren weitere Verfahren gegenübergestellt, die mit weniger Ausgangsmaterial funktionieren und ebenso zur Körnung des MOF-Materials führen können. Die Mischgranulierung stellt ein Standardverfahren aus der Zeolith-Industrie dar, welche bei Verfahrensbedingungen ausgeführt werden kann, die die Stabilität des MOF-Materials nicht gefährden. Für Test-Zwecke sind kleine Apparaturen erhältlich, wodurch, bei gleichem Materialeinsatz, ausführlichere Versuchsreihen möglich werden. Diesem Verfahren wird ein schablonengestütztes Verfahren im Labormaßstab, welches am LS Technische Chemie entwickelt wurde, gegenübergestellt.

Das Verfahren der Mischgranulierung wird in Kooperation mit Dipl.-Ing. Steffen Lauenroth am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Hermsdorf, durchgeführt.

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MOF-Materialien lassen sich durch ihren modularen Aufbau nahezu unendlich variieren und somit für geplante Anwendungen, z. B. in der Gasspeicherung, maßschneidern. Zudem zeigen die meisten MOF-Materialien eine sehr hohe Kristallinität und ihr innerer Aufbau ist demnach durch die Methode der Kristallstrukturanalyse zugänglich. Viele Anwendungen der MOFs nutzen die Möglichkeit der Einlagerung von Gastmolekülen in den Mikroporen der Materialien. Hier kommt es, abhängig vom MOF und vom Charakter der Gastmoleküle, zu mitunter sehr unterschiedlichem Verhalten welches sich im Isothermenverlauf, im Durchbruchsverhalten und in der Aufnahmekapazität zeigt.

Um das Verhalten der MOFs bei den Adsorptions- und Desorptionsvorgängen zu verstehen sind Einblicke auf atomarer Ebene extrem nützlich. Diese können durch Röntgenstrukturanalysen an den Materialien unter den entsprechenden Bedingungen bei Dampf- oder Gasaufnahme oder -abgabe erhalten werden. Hierzu kann das Wasseraufnahmeverhalten durch in situ Wasserdampf-Adsorption und Desorption direkt am LS Technische Chemie mit Hilfe einer speziellen Feuchtekammer am Pulverröntgendiffaktometer untersucht werden. Messungen mit weiteren Dämpfen oder Gasen werden an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankreich, in Kooperation mit Prof. Dr. Pascal D. C. Dietzel, Universität Bergen, Norwegen, durchgeführt.

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Mikroporöse MOF-Materialien (Metal-organische Gerüstverbindungen) zeigen ein breites Anwendungspotential, fallen jedoch bei den typischen Syntheserouten stets als Pulver an und müssen für unterschiedlichste technische Prozesse zunächst in eine handhabbare Form gebracht werden. Eine mögliche Methode ist die Wirbelschichtagglomeration bei der die kleinen Primärkristalle (ca. 5-10 Mikrometer) als Wirbelbett fluidisiert und mit Hilfe einer Binder-Lösung agglomeriert werden. Herausforderungen entstehen, insbesondere bei den MOF-Materialien, im Hinblick auf (1) die geringe Größe der Primärpartikel, (2) die geringe Dichte der Materialien, (3) die Einschränkungen bei der Binderauswahl aufgrund von zu gewährleistender Mikro- und Makroporosität im Granulatkorn und thermischer Stabilität der MOFs und (4) die Verfügbarkeit großer Substanzmengen für die zur Optimierung nötigen Versuchsreihen. Viele interessante MOF-Materialien sind (noch) nicht kommerziell erhältlich und Studien zu ihrer Agglomeration erfordern zunächst die Herstellung erheblicher Produktmengen (im kleineren technischen Kilogramm-Maßstab) die auch mit der Notwendigkeit eines Skale Ups verfügbarer Syntheserouten einher geht.

Die Arbeiten im Wirbelschichtreaktor erfolgen in Kooperation mit Dr.-Ing. Torsten Hoffmann vom LS Thermische Verfahrenstechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Evangelos Tsotsas, OVGU.

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Im Laufe der letzten Jahre wurden einige MOF-Materialien mit hervorragenden Eigenschaften zur CO₂-Speicherung entdeckt und publiziert. Darunter befindet sich auch das MOF CALF-20 welches nun bereits von Fa. BASF mit Hilfe eines patentierten Verfahrens im großen Maßstab produziert und durch Fa. Svante im Technikumssmaßstab zur CO₂-Absorption aus Industrieabgasen getestet wird. Im Projekt an der OVGU Magdeburg wird im Rahmen der IMPRS Graduate School des Max-Planck-Institutes für Dynamik komplexer technischer Systeme ein Kompositmaterial entwickelt welches in mikrowellengestützten Prozessen eingesetzt werden kann. Hierzu muss eine Materialpaarung erfolgen, die eine Einkopplung von Mikrowellen in die Granulatkörner ermöglich, da das reine MOF-Material diese Eigenschaft nicht aufweist. Zur Untersuchung der hergestellten Granulatkörner wird eine Apparatur entwickelt, welche die Aufnahme von Desorptionskurven an der fertigen Schüttung der Kompositkörner erlaubt und eine Optimierung der Kompositzusammensetzung ermöglicht.

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In der interdisziplinären Nachwuchsforschergruppe Neuartige Kompositwerkstoffe für die thermochemische Energiespeicherung (NEOTHERM) mikro-makro-poröse Kompositmaterialien für die thermochemische Energiespeicherung entwickelt, charakterisiert und bewertet. Ziel ist es, Sorptionsmaterialien für das Sorbat Wasser mit hoher Speicherdichte, effektivem Wärmeübergang und applikationsangepasster Sorptionstemperatur (»20-500 °C) und geeignetem Temperaturhub sowohl für die Speicherung solarer Wärme als auch für die Energierückgewinnung aus technischen Prozessen bereitzustellen. Dazu sollen zellulare Werkstoffe als Trägermaterialen entwickelt und bezüglich ihrer chemischen, morphologischen und thermischen Eigenschaften optimiert werden. Parallel dazu sollen als Aktivkomponente der Wärmespeicherung mikroporöse kristalline Verbindungen (metal organic frameworks = MOFs und Zeolithe) entwickelt und/oder modifiziert und auf dem Träger fixiert werden, z.B. mittels in-situ-Kristallisation oder Träger-Linker-Reaktion. Innerhalb der Nachwuchsgruppe sollen folgende Aspekte der neuen Werkstoffverbünde bearbeitet werden: (1) Synthese neuer bzw. modifizierter mikroporöser Materialien (Aktivkomponente), (2) Entwicklung von Herstellungsverfahren für makroporöse monolithische Materialien mit variierbaren oberflächenchemischen und thermischen Eigenschaften und gezielt eingestellter, offener Porosität (Träger), (3) Beschichtung/Oberflächenmodifizierung von offenzelligen Schäumen zur Einstellung der Sorptionseigenschaften des Verbundmaterials, (4) Steuerung von Ad- und Desorptionsvorgängen in porösen Festkörpern durch Steuerung der Porengröße und -form, (5) Evaluierung des Langzeitverhaltens der Wärmespeichermaterialien. Die Entwicklung der neuartigen Materialien erfolgt von Beginn an mit Blick auf den technischen Einsatz bezüglich der Arbeitstemperatur, des Lade-/Entladeverhaltens, der Langzeitstabilität, der Speicherdichte, und der Kosten und Sicherheit.
Nach positiver Evaluierung wird das Projekt in einem zweiten Zeitraum bis Ende Mai 2018 fortgesetzt. Im Rahmen der Fortführung wird ein Sorptionskinetik-Messstand für Kompositmaterialien und ein Demonstrator aufgebaut.

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Die Substanzklasse der metall-organischen Koordinationspolymere steht momentan im Fokus vieler weltweiter Forschungsaktivitäten, hauptsächlich im Hinblick auf die Anwendbarkeit solcher Systeme bei Gasspeicherung und -separation, der Katalyse oder der Wirkstofffreisetzung ( drug delivery ). MOFs bestehen aus einem organischen Teil (Linker/Ligand) und Metall-Ionen oder Metalloxid-Clustern (Knoten), welche sich zu dreidimensionalen Netzwerken verbinden. Sie können sehr große (innere) Oberflächen aufweisen, die genutzt werden können. Hierbei ist besonders interessant, dass durch den modularen, hybriden Aufbau der MOFs eine einfache post-synthetische Modifizierung ermöglicht wird. Da MOFs bei der Synthese stets als feine Pulver anfallen, sind sie zumeist in ihrer as synthesised-Form für eine industrielle Anwendung nicht geeignet. Es ist deshalb nötig die Materialien durch Trägerung oder Formgebung in eine besser verwendbare Form zu bringen. Eine Möglichkeit der Trägerung stellt die silangestützte Beschichtung von Gläsern dar, bei der das MOF-Material durch geeignete Zwischenschichten chemisch auf dem Untergrund verankert wird. Hierbei können speziell geformte Substrate zum Einsatz kommen, die nach der Beschichtung den Einsatz der MOF-Materialien in verschiedenen Reaktortypen ermöglichen.

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Boroarsenate ähneln strukturell den Silicaten, da beide Verbindungsklassen als Grundbaueinheiten TO4-Einheiten (T = B, As, Si) aufweisen. Durch die nahezu unbegrenzten Möglichkeiten durch Eckenverknüpfung aus diesen Tetraederbausteinen verschiedene strukturelle Baueinheiten zu erhalten ist eine unendlich große Variabilität dieser Verbindungsklassen denkbar. Solche Gerüstverbindungen unterschiedlicher chemischer Natur werden in vielerlei Hinsicht zur Anwendung gebracht. Man unterscheidet dabei nicht-poröse und poröse Systeme, wobei die porösen Systeme z. B. zur Gasreinigung- und speicherung oder zur heterogenen Katalyse eingesetzt werden. Nicht-poröse Systeme können z. B. als Grundstrukturen für Lumineszenzkonversionsfarbstoffe dienen. Der Einbau von unterschiedlichen Tetraederzentren in Tetraedernetzwerkstrukturen bedingt oft die Ausbildung von Gerüsten mit modifizierten Eigenschaften, die somit besser an potentielle Anwendungen angepasst sein können. Auf dem Gebiet der Boroarsenate (T = B, As) sind erst relativ wenige Verbindungen ausreichend charakterisiert. Durch die Untersuchung der Boroarsenate soll das strukturelle Potential der Verbindungsklasse ausgelotet werden. Hierbei werden die neuen Strukturen sowohl mit Röntgen- als auch mit Neutronenbeugung untersucht, wobei gekoppelte Verfeinerungen zur genaueren Lokalisierung von Wasserstoffatomen angewendet werden. Wasserstoffatome liegen als Gerüst-OH-Gruppen oder in eingelagerten Wassermolekülen vor und können die Eigenschaften der Verbindungen einschneidend beeinflussen.

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