Atmende poröse Flüssigkeiten – Vom grundlegenden Verständnis zur Innovation

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Henke
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 570979718

Dieses Forschungsprojekt untersucht eine neue Klasse fortschrittlicher Materialien, sogenannte atmende poröse Flüssigkeiten (Breathing Porous Liquids, bPLs), die die Fließfähigkeit einer Flüssigkeit mit der Gasadsorptionsfähigkeit poröser Feststoffe kombinieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Flüssigkeiten, deren Gaslöslichkeit linear mit dem Druck ansteigt weisen bPLs ein sigmoidales Löslichkeitsprofil auf. Das bedeutet, dass die Gasaufnahme über einen engen Druckbereich hinweg stark ansteigt – ähnlich der Sauerstoffbindungskurve des Blutes. Diese Eigenschaft wird durch die Dispersion poröser, flexibler Partikel metallorganischer Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) in nicht-penetrierenden Trägerflüssigkeiten ermöglicht. Die MOF-Partikel reagieren auf den Gasdruck mit strukturellen Phasenumwandlungen von einer kontrahierten zu einer expandierten Form und ermöglichen so eine sprunghafte Gasaufnahme bei nur kleinen Druckänderungen. Dieses Verhalten verspricht hohe Arbeitskapazitäten und eine energieeffiziente Gastrennung und macht bPLs vielversprechend für Anwendungen wie CO2-Abscheidung und Gastrennungen und -reinigungen. Das Projekt baut auf unserer jüngsten Entdeckung auf, dass das atmende Verhalten der responsiven MOFs auch dann erhalten bleibt, wenn die flexiblen Feststoffpartikel in einer Flüssigkeit dispergiert sind. Nach dem erfolgreichen Machbarkeitsnachweis zielt das Projekt darauf ab, das Potenzial von bPLs vollständig zu erschließen und die Technologie näher an reale Anwendungen heranzuführen. Im Fokus stehen die Verbesserung der Materialformulierungen durch höhere Feststoffkonzentrationen bei gleichzeitig guter Stabilität sowie die Entwicklung neuer Kombinationen aus Feststoffen und Trägerflüssigkeiten mit geringeren Energieverlusten, schnelleren Reaktionszeiten und verbesserter Langzeitstabilität. Ein zentraler Aspekt ist das Verständnis der Geschwindigkeit und Effizienz, mit der bPLs Gase aufnehmen und wieder abgeben. Dazu setzen wir laborbasierte Sorptionsmessungen und zeitaufgelöste Synchrotronmethoden ein, um die strukturelle Reaktion der Materialien auf Druckänderungen in Echtzeit zu verfolgen. Zudem wird im Projekt untersucht, ob sich Ultraschall als nicht-thermische, energieeffiziente Methode zur Beschleunigung der Gasfreisetzung und Regeneration eignet. Im Laufe des Projekts erwarten wir die Entwicklung mehrerer leistungsfähiger bPL-Formulierungen für Anwendungen wie CO2-Abtrennung und Kohlenwasserstoffseparation. Außerdem soll ein vertieftes Verständnis dafür gewonnen werden, wie die strukturellen Eigenschaften der Feststoffe das Sorptionsverhalten der Flüssigkeiten beeinflussen. Diese Forschung stellt einen wichtigen Schritt in Richtung anpassungsfähiger, energieeffizienter Materialien für eine nachhaltigere Gastrennung und Gasspeicherung dar.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen