27-05-2015 09:30 | Door: Thijs ten Brinck

Nieuwe combinaties van metalen en organische moleculen bieden grote kansen voor duurzame chemie, energieopslag en het filteren van CO2. Een overzicht van enkele recente toepassingen.

Een metal organic framework (MOF) is een materiaal dat bestaat uit metaalatomen en koolwaterstofmoleculen. De materialen hebben een regelmatige en open structuur, als een moleculaire variant van K'nex. De groep materialen is ook minstens zo veelzijdig als het klik-speelgoed.

Voor de chemie- en cleantechsector hebben MOFs aantrekkelijke eigenschappen. Zo zijn ze inzetbaar bij complexe chemische reacties, helpen ze bij de opslag en scheiding van gassen en behoort ook het produceren van duurzame elektriciteit tot de mogelijkheden.

Energiezuinig CO2 afvangen

De klimaatimpact van energiecentrales, cementfabrieken en chemische installaties kan flink omlaag als de CO2 die vrijkomt direct is af te vangen. De meeste methoden voor carbon capture & storage (CCS) vreten echter energie, vooral omdat het veel warmte kost om de CO2 uit oplosmiddelen te stoken.

Onderzoekers van Berkeley ontwikkelden een MOF met een open structuur en een enorm oppervlak waaraan CO2 uit rookgassen blijft ‘vastplakken’. Eenmaal verzadigd hoeft de MOF maar tot 50 graden verwarmd te worden om het CO2, nu in pure vorm, weer vrij te geven. Het proces kost 50 procent minder energie dan andere CCS-methoden.

CO2

Verbeterslagen in de chemische industrie

Katalysatoren zijn ook belangrijk voor de chemische industrie. Veel chemische reacties verlopen niet of erg langzaam zonder deze hulpstoffen, of produceren veel ongewenste bijproducten. Katalysatoren worden niet verbruikt in de reacties, maar slijten onder de extreme industriële condities vaak snel.

De metaal-atomen in een MOF krijgen vanwege de omliggende organische moleculen bijzondere katalytische eigenschappen. Deze maken nog efficiëntere en selectievere chemie mogelijk. De katalysator-MOFs hebben bovendien een lange levensduur. Volgens Canadese onderzoekers presteren MOFs in bijvoorbeeld olieraffinaderijen veel beter dan gangbare katalysatoren.

Beschermde kleding voor militairen

Chemische wapens worden gelukkig nauwelijks nog toegepast. Dat neemt niet weg dat militairen in risicogebieden nog steeds met beschermende kleding en luchtfilters worden uitgerust. De bescherming van deze luchtfilters is beperkt, omdat ze de giftige stoffen alleen maar opvangen. Wanneer de filters verzadigd zijn, moeten ze vervangen worden.

Spaanse onderzoekers maakten een metal organic framework dat veel voorkomende gifstoffen en zenuwgassen actief afbreekt. Dit materiaal is volgens de onderzoekleiders te verwerken in kleding. Het laat zuurstof gewoon door maar reduceert gevaarlijke moleculen tot ongevaarlijke brokstukken.

Veel waterstof opslaan in een kleine tank

Waterstof is een veelbelovende brandstof voor auto’s en vrachtverkeer. Maar het gas is vluchtig en lastig op druk te brengen. Autofabrikanten en materiaaldeskundigen zoeken daarom naar mogelijkheden om waterstof niet gasvormig maar in een compactere vorm op te slaan.

Onderzoekers aan de University of Michigan hebben een MOF geoptimaliseerd voor de opslag van waterstof. Net als CO2 slaat ook het waterstofgas neer op het grote interne oppervlak van het materiaal. Bij een kleine temperatuur- of drukverandering laten de waterstofmoleculen gecontroleerd weer los. Zo verschaffen de MOFs een brandstofcelauto een grote actieradius.

Restwarmte omzetten in elektriciteit

Restwarmte die ontstaat in fabrieken of wordt uitgestoten door een automotor, gaat vaak verloren omdat er op de plaats of het moment dat de warmte vrijkomt geen behoefte is aan warmte. De afvalwarmte verdwijnt dan in de atmosfeer, of via koelwater in rivieren.  

De Sandia National Laboratories ontwikkelden een MOF die deze restwarmte kan omzetten in elektriciteit. Het materiaal is goed elektrisch geleidend maar geeft nauwelijks warmte door. Deze eigenschappen maken dat de afvalwarmte in auto’s en bijvoorbeeld elektronische gadgets in de toekomst is op te waarderen tot bruikbare elektriciteit.  

Bekijk een presentatie van Christopher Wilmer die met zijn bedrijf NuMat MOFs ontwikkeld voor de opslag van aardgas in de transportsector.

Foto: Justin Rumao en Rudolf Vlček, via Flickr Creative Commons (Cropped by DuurzaamBedrijfsleven)