Thermochemische Materialien

Entwicklung neuer Sorptionsmaterialen und Beschichtung von Trägerstrukturen

Gerüstmaterialien
© Foto Fraunhofer ISE

Am Fraunhofer ISE hergestellter Eisen-MOF (metal organic framework) für die Verwendung in Sorptionsprozessen.

Direktaufkristallisation
© Foto Fraunhofer ISE

Direktaufkristallisation des Kupfertrimesats (HKUST-1) auf einem Kupfer-Blech.

Adsorptionsprozesse an hochporösen Materialien sind heute das Kernelement in zahlreichen technischen Verfahren. Dazu zählen z. B. die Gasspeicherung und -trennung, thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen, aber auch die heterogene Katalyse sowie die Sensorik. Zum Einsatz kommen dabei klassischerweise Aktivkohlen, Silicagele oder Zeolithe.

Ein Schwerpunkt der Forschung zu Sorptionsmaterialien ist derzeit die neue Materialklasse der metallorganischen Gerüstverbindungen (metal organic frameworks, MOFs). Diese kristallinen Verbindungen basieren auf einem einzigartigen chemischen »Baukastensystem« und vereinen eine bislang nicht gekannte chemische Variabilität, mit teils enorm hohen inneren Oberflächen (SBET > 4000 m²/g) und zugänglichem Porenvolumen (> 1 cm3/g).

Mit diesen hochleistungsfähigen Adsorbentien steigen die Anforderungen an den Stoff- und Wärmetransport, besonders bei zyklisch betriebenen Anwendungen wie Adsorptionswärmepumpen und -kältemaschinen. Es muss eine gute Zugänglichkeit des Kältemittels (z. B. Wasser, Alkohol) zu den Oberflächen und damit den Adsorptionszentren gewährleistet sein. Zudem muss eine hohe thermische Ankopplung erreicht werden, um die entstehende Wärme schnell abführen zu können.

Am Fraunhofer ISE wurden Verbindungen aus der Klasse der MOFs synthetisiert sowie zwei komplementäre Beschichtungsverfahren entwickelt, die diese Voraussetzungen hervorragend erfüllen, und bereits zum Patent angemeldet wurden. Sorptiv beschichtete Wärmeübertragerstrukturen mit MOFs, aber auch klassischen Sorptionsmitteln, stellen für zahlreiche Anwendungen die optimale Lösung dar.