Internationales Forschungsteam optimiert metallorganische Gerüste auf atomarer Ebene
Der Zugang zu sauberem Trinkwasser wird in einigen Regionen immer schwieriger. Forscher und Ingenieure arbeiten deshalb seit mehreren Jahren an Methoden, um Wasser aus der Wüstenluft zu „ernten“. Dabei spielen poröse metallorganische Materialien eine zentrale Rolle. Wassermoleküle aus der Luft werden in ihren Hohlräumen besonders gut aufgefangen. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat nun die molekularchemischen Prozesse der Wassergewinnung analysiert und die Materialien optimiert. Die Ergebnisse der Studie, in der Prof. Dr. Joachim Sauer von der Humboldt-Universität zu Berlin und die Humboldt-Forschungspreisträgerin Prof. Dr. Laura Gagliardi nun im Fachjournal Science erschienen sind. In metallorganischen Materialien, auch MOFs genannt, bilden Metalle und organische Stoffe eine poröse Gerüststruktur mit besonders vielen winzigen Hohlräumen und einer hohen inneren Oberfläche. Bestimmte MOFs auf Aluminiumbasis wurden so konstruiert, dass sich Wassermoleküle in den Hohlräumen besonders gut abfangen – selbst bei einer geringen Luftfeuchtigkeit von 20 Prozent, wie sie in Wüsten üblich ist. Die Sonnenwärme drückt dann das „geerntete“ Wasser aus dem MOF. Auf diese Weise kann ohne zusätzliche Energie sauberes Trinkwasser gewonnen werden. Daher sehen viele in MOFs großes Potenzial, um Menschen in Trockengebieten mit Wasser zu versorgen. Wie und warum sich Wassermoleküle in den MOFs verfangen, ist noch nicht richtig verstanden. Das Forscherteam untersuchte daher mit Röntgenkristallographie und quantenchemischen Berechnungen die Hohlräume der MOFs und analysierte auf atomarer Ebene, wie genau die Wassermoleküle aus der Luft im metallorganischen Gerüst eingefangen und gesammelt werden. Das Team fand heraus, dass sich die ersten Wassermoleküle zwar mit der organischen Substanz im MOF verbinden, die anderen Wassermoleküle jedoch viel besser mit den bereits vorhandenen Wassermolekülen interagieren. Innerhalb der Hohlräume bilden sie zunächst Ketten, dann Cluster und schließlich ein Netzwerk von Clustern. Wichtig war auch, dass die ersten Wassermoleküle nicht zu fest mit den MOFs verbunden sind, da sonst das Wasser nicht richtig aus dem Material gepresst werden kann. Auf Basis all dieser Erkenntnisse entwickelten die Forscher in Experimenten und Computermodellen MOFs, die es den Wassermolekülen ermöglichen, Cluster zu bilden, ohne zu fest an der organischen Substanz zu kleben. „Die Entwicklung wasserabsorbierender Materialien basierte bisher auf dem Prinzip von Versuch und Irrtum. Da wir nun verstehen, wie die molekulare Evolution von Wasserstrukturen in metallorganischen Materialien funktioniert, können wir diese gezielt auf atomarer Ebene optimieren“, sagt Prof. Dr. Joachim Sauer, Mitautor der Studie und Chemiker an der Humboldt-Universität in Berlin. Da sich Wassermoleküle je nach Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit unterschiedlich verhalten, lassen sich die Erkenntnisse der Studie auch nutzen, um MOFs zu schaffen, die für bestimmte Umgebungsbedingungen optimiert sind und sogar in kühleren Gebieten funktionieren.
Prof. Dr. Dr. hc Joachim Sauer Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Chemie Unter den Linden 6, 10117 Berlin E-Mail: js@chemie.hu-berlin.de Tel :. 49 (0) 30 20937135
N. Hanikel, X. Pei, S. Chheda, H. Lyu, W. Jeong, J. Sauer, L. Gagliardi, OM Yaghi Evolution of waterstructures in metal-organic Frameworks for Improved Atmosphärischer Wassergewinnung Wissenschaft, 2021. DOI: 10.1126 / science.abj0890
Merkmale dieser Pressemitteilung: Journalisten, alle Chemie, Ernährung / Gesundheit / Pflege, Gesellschaft, Umwelt / Ökologie nationale Forschungsergebnisse, Forschungsprojekte Deutsch
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