Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.08.2020

Neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen – Publikation in Nature Materials

Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen. Die bislang übliche energieaufwendige Destillation könnte somit ersetzt werden. Über die Ergebnisse berichtet das Team in Nature Materials. (DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y).

Propen, auch Propylen genannt, ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie, von dem jährlich weltweit rund 100 Millionen Tonnen verbraucht werden. Der daraus hergestellte „Massenkunststoff“ Polypropylen wird vor allem in Verpackungsmaterialien eingesetzt, aber beispielsweise auch in der Bau- oder Automobilbranche. Gewonnen wird Propen vor allem bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird. „In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mit Hilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird. Das bedeutet angesichts des hohen Propen-Bedarfs eine Einsparung riesiger Mengen des Treibhausgases CO2“, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, der bis 2019 an der Leibniz Universität Hannover und in Saudi-Arabien forschte.

So könnte es für die petrochemische Industrie erstmals wirtschaftlich interessant werden, für die Abtrennung von Propen auf Membranen zu setzen. In diesem Projekt arbeitete Knebel mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, der King Abdullah University of Science and Technology und des Deutschen Instituts für Kautschuktechnologie zusammen.

Erstmals Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten

Die Forschenden starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 Nanometer breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit.

Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als beispielsweise Methan. Denn Propen wird in den Poren der Nanopartikel gleichsam festgehalten, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. „Diese Eigenschaft der Dispersion wollen wir künftig ausnutzen, um flüssige Trennmembranen zu erzeugen“, sagt Knebel.

Doch mit den porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 Prozent erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Leiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Gasmischung aus gleichen Teilen Propen und Propan über zwei hintereinandergeschaltete Membranen, so erhielten sie Propen mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 Prozent, obwohl sich die beiden Gasmoleküle nur um 0,2 Nanometer in ihrer Größe unterscheiden.

Für den praktischen Einsatz einer solchen Membran ist neben dem Trennvermögen entscheidend, wie hoch die Menge eines Gasgemisches ist, die in einer bestimmten Zeit hindurchgeleitet werden kann. Diese Durchflussrate war bei den neuen Membranen mindestens dreimal so hoch wie bei bisherigen Materialien. Knebel ist aufgrund der erzielten Trennwerte davon überzeugt, dass es sich für die petrochemische Industrie erstmals auszahlen würde, zur Gastrennung Membranen statt herkömmlicher Destillationsverfahren einzusetzen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Membranen ist, dass möglichst viele Metall-Organische Partikel einheitlich im Kunststoff verteilt werden können und dass die Poren in den Nanopartikeln bei der Membranherstellung nicht durch Lösemittel verstopft sind, also gleichsam leer bleiben. „Beides konnten wir erreichen, weil wir nicht direkt feste Partikel in die Membran eingearbeitet haben, sondern den scheinbaren Umweg über die porösen Flüssigkeiten gegangen sind“, erläutert Knebel. (ffr)

Originalpublikation:
Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S., Sundermann, L., Garzon-Tovar, L., Lebedev, Y., Durini, S., Ahmad, R., Kozlov, S. M., Shterk, G., Karunakaran, M., Carja, I. D., Simic, D., Weilert, I., Klüppel, M., Giese, U., Cavallo, L., Rueping, M., Eddaoudi, M., Caro, J., Gascon, J.: Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials, 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y

Externer Link: www.kit.edu

Medienmitteilung der Universität Basel vom 10.08.2020

Physiker der Universität Basel haben durch die Schichtung verschiedener zweidimensionaler Materialien eine neue Struktur geschaffen, die Licht einer wählbaren Wellenlänge fast vollständig absorbiert. Sie erreichen dies mithilfe von zweilagigem Molybdändisulfid. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften der neuen Struktur ist eine Anwendung als optisches Bauteil oder als Quelle für einzelne Photonen denkbar, die in den Quantenwissenschaften eine wichtige Rolle spielen. Das Fachjournal «Nature Nanotechnology» hat diese Ergebnisse veröffentlicht.

Neue zweidimensionale Materialien sind zurzeit ein wichtiges Forschungsthema weltweit. Dabei sind van-der-Waals-Heterostrukturen, die sich aus einzelnen Lagen unterschiedlicher Materialien zusammensetzen und durch van-der-Waals-Kräfte aneinander haften, von besonderem Interesse. Die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Schichten können zu ganz neuen Eigenschaften des Materials führen.

Zweilagig mit gewünschten Eigenschaften

Es gibt bereits van-der-Waals-Strukturen, die bis zu 100 Prozent des Lichts absorbieren. Einlagige Schichten aus Molybdändisulfid weisen ein solch hohes Absorptionsvermögen auf. Wenn das Licht absorbiert wird, verlässt ein Elektron seinen angestammten Platz im sogenannten Valenzband und hinterlässt dort ein positiv geladenes Loch. Das Elektron gelangt auf ein höheres Energieniveau, in das sogenannte Leitungsband, in dem es sich frei bewegen kann.

Das entstandene Loch und das Elektron ziehen sich durch die Coulombkraft gegenseitig an und es entstehen gebundene Elektronen-Loch-Paare, die auch bei Raumtemperatur stabil sind. Es ist jedoch nicht möglich, in dieser einlagigen Molybdändisulfidschicht zusätzlich einzustellen, welche Wellenlängen an Licht absorbiert werden. «Erst wenn zwei Lagen Molybdändisulfid verwendet werden, kommt die für Anwendungen wichtige Eigenschaft der Regulierbarkeit hinzu», erklärt Prof. Dr. Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel.

Absorption und Regulierbarkeit

Warburton und seinem Team ist es in enger Zusammenarbeit mit Forschenden aus Frankreich gelungen, eine solche Struktur herzustellen. Die Physikerinnen und Physiker verwendeten eine zweilagige Schicht von Molybdändisulfid, die wie bei einem Sandwich unten und oben von einem Isolator und dem elektrischen Leiter Graphen umgeben ist.

«Wenn wir an die äusseren Graphenschichten dann eine Spannung anlegen, erzeugen wir ein elektrisches Feld, das die Absorptionseigenschaften der beiden Molybdändisulfidschichten beeinflusst», erklärt Nadine Leisgang, Doktorandin im Warburton-Team und Erstautorin der Studie. «Durch die Einstellung dieser angelegten Spannung können wir bestimmen, bei welchen Wellenlängen Elektronen-Loch-Paare in diesen Schichten gebildet werden.»

«Diese Arbeiten können einen neuen Ansatz zur Entwicklung optoelektronischer Geräte wie Modulatoren liefern», erläutert Richard Warburton. Modulatoren dienen dazu, die Amplitude eines Signals gezielt zu verändern. Möglich erscheint auch die Nutzung als Quelle für einzelne Photonen, die in den Quantentechnologien eine wichtige Rolle spielen könnte.

Originalbeitrag:
Nadine Leisgang, Shivangi Shree, Ioannis Paradisanos, Lukas Sponfeldner, Cedric Robert, Delphine Lagarde, Andrea Balocchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Xavier Marie, Richard J. Warburton, Iann C. Gerber and Bernhard Urbaszek:
Giant Stark splitting of an exciton in bilayer MoS2
Nature Nanotechnology (2020), doi: 10.1038/s41565-020-0750-1

Externer Link: www.unibas.ch