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Interview | 4.7.2017
Interview mit Dr. Alexandra Lieb

„Bei Keramiken lassen sich die Oberflächen chemisch besser beeinflussen“

Im Interview berichtet Dr. Alexandra Lieb über die Grundlagenforschung ihrer Nachwuchsgruppe NEOTHERM.
© OvGU Magdeburg, NEOTHERM
Die Wissenschaftlerin Juliane Willkomm stellt eine Salzlösung für den Ionenaustausch an Zeolith X her.
© OvGU Magdeburg, NEOTHERM
Die beiden Forscher Jakob Eggebrecht (l.) und Eyleen Rehahn (r.) begutachten das durch eine Scale-Up-Synthese erzielte MOF-Pulver.
© OvGU Magdeburg, NEOTHERM

Im Interview erläutert Dr. Alexandra Lieb, Leiterin der interdisziplinären Nachwuchsforschergruppe NEOTHERM an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, welche Eigenschaften metallorganische Gerüstverbindungen im Vergleich zu Zeolithen für die Kälteerzeugung und Niedertemperaturspeicher interessant machen.

forschung-energiespeicher.info: Wie müssen die Werkstoffe eines Sorptionsspeichers beschaffen sein?
Dr. Alexandra Lieb: Man braucht eine möglichst große Oberfläche, die mit Wassermolekülen belegt werden kann, aber man kann sich ja kein Fußballfeld in den Keller legen. Das heißt, ich brauche mikroporöse Stoffe, die eine sehr, sehr große Oberfläche bei kleinem Volumen haben.

Welchen Materialien bevorzugen Sie?
Lieb: Wir arbeiten mit zwei Stoffgruppen: mit Zeolithen und mit metallorganischen Gerüstverbindungen. Die beiden mikroporösen Materialklassen decken verschiedene Temperaturbereiche ab und können so verschiedene Anwendungen ansteuern.
Da sind zunächst die Zeolithe, die wiederum Stoffe verschiedener chemischer Zusammensetzung umfassen. Die klassischen Zeolithe, also Silizium-Aluminium-Sauerstoff-Verbindungen, lassen sich gut für Wärmespeicher nutzen, die auf einem hohen Temperaturniveau arbeiten, also beispielsweise zur Abwärmenutzung einer Müllverbrennungsanlage. Es gibt aber auch abgewandelte Verbindungen, die sogenannten AlPOs – Aluminium-Phosphor-Oxide. Diese, und speziell SAPOs, bei denen noch Silizium eindotiert ist, eignen sich eher für Adsorptionskältemaschinen.
Die zweite Stoffgruppe sind die metallorganische Gerüstverbindungen. Deren Kurzbezeichnung MOF leitet sich von der englischen Bezeichung metal-organic framework her.

Zeolithe finden sich in Klimaanlagen, Heizgeräten oder auch in Wärmespeichern von Geschirrspülern. Aber wärmetechnischen Anwendungen metallorganischer Verbindungen sind noch relativ unbekannt, oder?
Lieb: Metallorganische Gerüste sind eigentlich schon lange bekannt, man hat sie nur zunächst nicht so sehr beachtet. Erst in den letzten 15 bis20 Jahren sind sie tiefgehend erforscht worden. Mittlerweile gibt es eine sehr große Anzahl an metallorganischen Gerüstverbindungen, wohl fast 70.000.

Warum hat man die MOFs so lange ignoriert?
Lieb: Bei vielen Anwendungen können die bekannten und relativ preiswerten Zeolithe sehr gut eingesetzt werden, und die anwendungsbezogene Forschung hatte sich in diese Richtung fokussiert. Ein großer Kritikpunkt an den MOFs war früher eine ungenügende Stabilität gegenüber höheren Temperaturen oder Sauerstoff.

Was ist jetzt anders?
Lieb: Es gibt MOFs, die die notwendigen Stabilitätskriterien erfüllen. Die musste man erst mal isolieren. Das ist in den letzten Jahren passiert. Es gibt jetzt ein paar herausragende Kandidaten bei den MOFs, die sehr viel aushalten.

Was heißt das konkret?
Lieb: Mit „sehr viel“ meine ich Temperaturen bis 200 oder 250 Grad Celsius über einen sinnvollen Zeitraum. Es gibt auch MOFs, die noch höhere Temperaturen überleben. Ein zweiter Punkt ist, dass nutzbare MOFs Feuchtigkeit vertragen müssen. Viele MOFs tun das nicht. Das erste recht bekannte MOF-Material – MOF-5 – war in feuchter Atmosphäre überhaupt nicht gut zu handhaben. Man hat dann versucht, solche MOFs zu stabilisieren. Das erzielt man meistens über eine Hydrophobisierung, das Material nimmt also keine Feuchtigkeit mehr auf. Für die sorptive Anwendung, die wir verfolgen, ist das natürlich keine Option. Es wurden aber auch MOFs gefunden, die sowohl die relevanten Temperaturen aushalten, als auch gerne Feuchtigkeit aufnehmen, wieder abgeben und dabei nicht degradieren. Da gibt es drei, vier, fünf Vertreter, die sich gut eignen. Auf diese stürzen sich alle Forschergruppen, die an Anwendungen mit Wassersorption bei MOFs arbeiten.

MOFs eignen sich besser für niedrigere Temperaturen

Warum sollte ich überhaupt MOFs einsetzen, obwohl es Zeolithe gibt?
Lieb: Es sind solche MOFs interessant, deren Wassersorptionscharakteristik man mit Zeolithmaterialien nicht hinbekommt. Und natürlich müssen sie auch günstig und einfach herzustellen sein. Nehmen wir zum Beispiel die sorptive Kälteerzeugung. Stand der Technik sind dort bisher SAPOs, also Zeolithmaterialien. Es gibt aber ein paar MOFs, wie Al-Fumarat oder CAU-10, die sehr vielversprechende Adsorptionsisothermen haben. Es werden aber nicht nur MOFs und Zeolithe für solche Anwendungen diskutiert. Es gibt Forschergruppen, die mit Aktivkohlen oder mesoporösen Silikaten arbeiten. Was die Zukunft bringt, bleibt spannend.

Bei welchen Temperaturen arbeiten MOFs besser als Zeolithe?
Lieb: Man kann keine klare Grenze für die Temperaturbereiche ziehen. MOFs eignen sich generell besser für niedrigere Temperaturen, die Hochtemperaturanwendungen fallen da ganz raus. Die wichtigste Anwendung ist die Kälteerzeugung. Aber man kann MOFs auch für eine Speicherung von Niedrigtemperaturabwärmen nutzen. Es kommt extrem auf den Einsatzzweck an, also welches Temperaturtripel dabei bedient werden muss. Man kann stark vereinfachend sagen: Zeolithe für Wärmespeicher, MOFs zur Kälteerzeugung.

Vom Pulver zum beschichteten Werkstoff

Sie erforschen aber nicht nur bessere Sorptionsmaterialien, sondern entwickeln auch Methoden, makroporöse Träger damit zu beschichteten?
Lieb: Ja, das hat damit zu tun, dass man Pulver in Apparaten sehr schlecht einsetzen kann. Wenn man beispielsweise durch eine Pulverschüttung Gas strömen lassen will, hat man riesige Druckverluste. Zudem verstopfen Ventile und das Pulver wird ausgetragen. Das heißt, man muss etwas tun. Üblicherweise granuliert man das Pulver, alternativ beschichtet man damit einen Träger.

Als Träger nutzen Sie offenzellige Strukturen, wie etwa Metallschäume?
Lieb: Dies hat nicht nur den Vorteil, dass das Pulver auf einer großen Oberfläche fixiert ist, also viel Aktivmaterial pro Volumen zur Verfügung steht. Zusätzlich kann auch durch die Wahl der Porengröße und Stegdicke die Durchströmbarkeit und der Wärmetransport optimiert werden. Wir verwenden poröse Keramiken und poröse Metalle.

Metalle sind ja für eine gute Wärmeleitfähigkeit bekannt. Wie sieht es bei den Keramiken aus?
Lieb: Wir arbeiten hauptsächlich mit Aluminiumoxidkeramiken und Aluminiummetallschäumen. Massives Aluminium leitet die Wärme ungefähr sechsmal besser als massives Aluminiumoxid. Das ist schon ein großer Unterschied. Wenn man aber poröse Strukturen betrachtet, dann rücken die erzielbaren Werte näher zusammen. Bei vergleichbarer Porosität liegt die Leitfähigkeit des Metalls vielleicht bei 4 Watt pro Meter Kelvin und die der Keramik bei 1,1 – also circa Faktor 3,5 unterschiedlich.
Wir verwenden Keramiken, weil sich die Oberflächen chemisch besser beeinflussen lassen. Da kann man andere Andockmanöver bei der Beschichtung mit Aktivmaterial durchführen. Das hatte man bisher noch nicht ausprobiert. Und wir konnten mittlerweile schon keramische Schäume mit 0,9 bis 2,4 mm Porenweite erfolgreich mit verschiedenen MOFs beschichten.

Informationen für Öffentlichkeit und Fachwelt

Sie wollen einen Demonstrator bauen, um das das Funktionsprinzip zu veranschaulichen?
Lieb: Der Demonstrator soll allgemeinverständlich und anschaulich den Wärmeumschlag an unseren beschichteten Schaumstrukturen zeigen. Außerdem zeigen manche MOFs dabei einen interessanten Farbumschlag, der das Phänomen noch anschaulicher macht.
Ein schönes Ergebnis unserer Forschungsaktivitäten ist, dass sich unsere Forschungsgruppe NEOTHERM mit ein paar Ausstellungsstücken am InnoTruck des Bundesforschungsministeriums beteiligen kann. Dieser Truck fährt mindestens drei Jahre lang durch Deutschland und bietet beispielsweise Führungen für Schulklassen an.

Zur wissenschaftlichen Weiterbildung von Doktoranden, Post-Docs und weiteren Interessierten werde ich, zusammen mit Dr. Steffen Beckert von der Uni Leipzig vom 20. bis 22. September 2017 in Halle einen Workshop anbieten. Der Titel des Workshops lautet „Poröse Materialien für sorptive Wärmespeicher und Kältemaschinen“ und wird von der Fachgruppe Zeolithe der DECHEMA durch Reisestipendien unterstützt.

Gefördert durch die Bundesregierung aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages

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