13.10.2023 Ι Die Industrie verlässt sich seit langem auf energieintensive Verfahren wie Destillation und Kristallisation, um Moleküle zu trennen, die letztlich als Inhaltsstoffe in Medikamenten, Chemikalien und anderen Produkten dienen. Ein Forschungsteam unter Leitung der University at Buffalo hat nun robuste Membranen entwickelt, die den rauen Umgebungsbedingungen bei industriellen Trennverfahren standhalten.

In den letzten Jahrzehnten hat man versucht, diese Verfahren durch Membranen zu ersetzen, die eine kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative darstellen könnten. Leider werden die meisten Membranen aus Polymeren hergestellt, die sich während der Nutzung zersetzen, was sie unpraktisch macht. Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam unter Leitung der Universität Buffalo eine neue, robustere Membran entwickelt, die den rauen Umgebungsbedingungen – hohe Temperaturen, hoher Druck und komplexe chemische Lösungsmittel – bei industriellen Trennverfahren standhält. Die aus einem anorganischen Material namens kohlenstoffdotiertes Metalloxid hergestellte Membran wird in einer Studie beschrieben, die am 7. September in Science veröffentlicht wurde.

Auf einfache Weise starke Membranen herstellen

„Die Prozesse zur Trennung von Molekülen – sei es bei der Wasserentsalzung, der Herstellung von Medikamenten oder Düngemitteln – verbrauchen eine unglaubliche Menge an Energie“, sagt der korrespondierende Autor der Studie, Miao Yu, PhD, SUNY Empire Innovation Professor im Department of Chemical and Biological Engineering in der University at Buffalo School of Engineering and Applied Sciences. „Wir haben eine Technik entwickelt, mit der sich auf einfache Weise defektfreie, starke Membranen mit starren Nanoporen herstellen lassen, die präzise gesteuert werden können, um Moleküle unterschiedlicher Größe hindurchzulassen.“

Die Erstautoren der Studie sind Bratin Sengupta, ein Doktorand in Yus Labor, und Qiaobei Dong, PhD, der bei Yu studiert hat und jetzt bei GTI Energy arbeitet.

Inspiration aus der Halbleiterherstellung

Für die Herstellung der Membran ließ sich das Forschungsteam von zwei gängigen, aber nicht miteinander verwandten Herstellungsverfahren inspirieren.

Bei der ersten handelt es sich um die Molekularschichtabscheidung, bei der dünne Materialschichten übereinander geschichtet werden und die am häufigsten in der Halbleiterproduktion eingesetzt wird. Bei der zweiten Technik handelt es sich um die Grenzflächenpolymerisation, eine Methode zur Kombination von Chemikalien, die häufig zur Herstellung von Brennstoffzellen, chemischen Sensoren und anderen elektronischen Geräten verwendet wird.

„Diese Methoden sind nicht neu“, sagt Sengupta, „aber die Art und Weise, wie wir sie anwenden, ist neu, und das ist der Schlüssel zur Schaffung unserer neuen nanoporösen Membranen.“

In Experimenten haben die Forscher zwei kostengünstige Reaktanten – flüssiges Ethylenglykol und gasförmiges Titantetrachlorid – auf einem Träger auf Aluminiumbasis zusammengebracht. Innerhalb von Minuten entstand durch die Reaktion ein dünner Film.

Moleküle „schlüpfen“ durch hitzebeständige Membranen

Um die Nanoporen zu erzeugen, wurde der Film erhitzt. Die Hitze verbrennt den Kohlenstoff, wodurch winzige, mikroskopisch kleine Löcher entstehen, durch die Moleküle hindurchschlüpfen können. Die Größe der Nanoporen kann zwischen 0,6 und 1,2 Nanometern im Durchmesser liegen – je nach der Umgebung des Kalzinierungsgases sowie der Menge und Dauer der Hitzeeinwirkung.

Die neue Membran kann Temperaturen von bis zu 140 Grad Celsius und einem Druck von bis zu 30 Atmosphären standhalten, wenn sie organischen Lösungsmitteln ausgesetzt wird. Diese Eigenschaften sind entscheidend, da sie es der Membran ermöglichen, Moleküle bei hohen Temperaturen zu trennen (damit die meisten Polymermembranen funktionieren, muss die Temperatur der Lösungsmittel gesenkt werden, was aus energetischer Sicht kostspielig ist).

„Unter diesem Gesichtspunkt hat unsere Membran das Potenzial, den Kohlenstoff-Fußabdruck vieler industrieller Prozesse zu reduzieren“, so Yu.

Membranen für kommerzielle Produkte einsetzen

Um die Wirksamkeit der Membran zu demonstrieren, zeigte das Team, dass sie Boscalid, ein Fungizid zum Schutz von Nutzpflanzen, von seinem Katalysator und dem Ausgangsreagenz trennen kann. Das Team plant weitere Experimente, um zu beweisen, dass die Membran für kommerzielle Produkte eingesetzt werden kann. Außerdem plant Yu die Gründung eines Unternehmens, um die kommerzielle Verwertbarkeit der Technologie zu fördern.

Die Arbeit wurde von der National Science Foundation, dem Department of Energy und der UB unterstützt.