Sind MOFs und COFs Teile der Lösung aus der Klimakrise?

Omar Yaghi ist Professor für Chemie an der University of California in Berkeley. Der US-Amerikaner mit palästinensischen Wurzeln wurde für seine Forschung an neuartigen kristallinen Materialien vielfach ausgezeichnet.

MOFs und COFs - bahnbrechende Innovationen im Kampf gegen die Klimakrise

Yaghi gründete unter anderem die Start-ups Atoco und H2MOF, die anwendbare Gewinnungsmethoden für Wasser, Wasserstoff und CO₂ entwickeln.

MOFs und COFs – in verständlichen Worten

Der Begriff MOF steht für Metal-Organic Frameworks. Dahinter stecken nanoporöse Gerüstmaterialien, die unter anderem bei der Kohlenstoffabscheidung, der Wasserstoffspeicherung und der Wassergewinnung aus der Wüstenluft ihre Verwendung finden.

Omar Yaghi gilt als einer der Pioniere auf dem Gebiet der MOFs. Er entwickelte grundlegende Konstruktionsprinzipien und innovative Synthesemethoden und schuf damit zwei umfangreiche Kategorien von nanoporösen Materialien: metallorganische Gerüste (MOFs – Metal-Organic Frameworks) und kovalente organische Gerüste (COFs – Covalent-Organic Frameworks).

Diese innovativen Materialien stehen heute an vorderster Front bei den weltweiten Bemühungen, den kritischen Nachhaltigkeits- und Umweltherausforderungen unseres Planeten entgegenzutreten. Die Errungenschaften der Forschungsarbeit können bei der Bewältigung der großen Herausforderungen der Menschheit – Wasserknappheit und Klimakrise – helfen.

Pulver mit Schwammwirkung

Die winzigen porösen Gerüste können zum Beispiel über Wassermoleküle das schädliche Treibhausgas CO₂ speichern. Sie funktionieren wie chemische Schwämme. In den von Yaghi und seinen Teams entwickelten Apparaturen verteilt, können sie entweder Kohlenstoffdioxid oder Wasser aus der Luft ziehen. Wird die Anlage auf 60 Grad Celsius erwärmt wurde, lässt sich das CO₂ entnehmen, verdichten und einspeichern. Der Schwamm ist wieder frei, um mehr Luft zu „filtern“.

Klimaforschende betonen, dass solche technologischen Lösungen nicht die einzige Antwort auf die Klimakrise seien. Aber um Netto-Null-Emissionen zu erreichen, werden sie notwendig sein, weil sich manche Emissionen nicht vermeiden lassen.

Andere Geräte aus Yaghis Labor kondensieren trinkbares Wasser, das sich selbst in Wüstengegenden gewinnen lässt. Bei einer Luftfeuchtigkeit von nur 20 Prozent kann eine Tonne der pulverförmigen Gerüstverbindungen rund 3000 Liter Wasser sammeln. Elektrifizierte Geräte würden nach Yaghis Aussage täglich bis zu 60.000 Liter schaffen, also etwa so viel wie zwei große Trinkwasser-Tanklaster.

Beitrag zur Minderung der Klimafolgen

Für Yaghi ist das CO₂-Problem so bedeutend, dass selbst bei desinteressierten oder den menschengemachten Klimawandel ablehnenden Regierungen wie den USA die privaten und industriellen Investoren am Ende auf „den Zug aufspringen werden“.

Yaghi sagte in einem Interview mit der österreichischen Tageszeitung DER STANADARD:

Wir müssen das Klimaproblem wirklich als Krise behandeln. Dafür sehe ich weltweit überhaupt keine Anzeichen.

Die Welt habe sich Ziele gesetzt. Es sei jedoch nicht klar, ob genug getan werden, um sie zu erreichen. Für Fortschritte werden nun dringend Finanzmittel benötigt. Hier können in seinem heutigen Heimatland (den USA) die riesige industrielle Basis und philanthropische Organisationen einspringen und helfen. Aber das sei auf keinen Fall ein Ersatz für starke staatliche Unterstützung.

Bekannte Materialien machen die Methoden wirtschaftlich

Yaghi betont, dass die Bestandteile des Materials bereits in der Breite sehr bekannt seien. Er und sein Team haben sie nur so kombiniert, dass sie für die Kohlenstoffabscheidung nützlich sind. Die chemische Industrie produziere sie bereits in großem Maßstab für diverse andere Zwecke, so dass es keine Hindernisse bei der Hochskalierung gäbe.

Bei der Wassergewinnung bestehe das Material aus Aluminium. Die organische Baueinheit seit weit verbreitet. Dieses MOF werde schon heute mit günstigen Methoden in Tonnenmengen hergestellt.

Für Yaghi bestehe die größte Herausforderung darin, dass Politik und Wirtschaft zu Beginn von neuen Entwicklungen eher pessimistisch gegenüber neuen Materialien seien.

Industrielle Anwendung

Yaghi erwähnmte im STANDARD ein MOF, das von einem Kollegen in Kanada hergestellt wurde. Es werde derzeit für die Abscheidung von CO₂ in Zementwerken kommerzialisiert. Zementwerke seien in der Industrie für mehr als ein Viertel der CO₂-Emissionen verantwortlich. Aber auch andere Industriesektoren würden bald folgen.

Die Effektivität des Materials sei tatsächlich bemerkenswert, wie der Berkeley-Absolventen Zihui Zhou bestätigt. In seiner Studie Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks vom 23.10.2024 betrachten er und seine Mitautoren das Potenzial eines Materials mit der Bezeichnung COF-999. Zhou dazu:

Wir können mit nur 200 Gramm des Materials in einem Jahr rund 20 Kilogramm CO₂ aufnehmen – in etwa so viel wie ein großer Baum.

Im Einsatz bei der Abgasreinigung biete COF-999 eine Möglichkeit, den Klimawandel zu verlangsamen, weil man damit das schädliche CO₂ gar nicht erst in die Luft freisetze.

Die direkte Abscheidung aus der Luft sei nach Meinung von Zhou eine Methode, die die Welt wieder in eine Situation versetzen könne, wie sie vor 100 oder mehr Jahren war. Derzeit liege die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre bei über 420 ppm. Sie werde aber auf 500 ppm und mehr ansteigen, bevor die Abgasreinigung vollständig entwickelt und eingesetzt werde.

Wenn wir also die Konzentration senken und auf 400 oder 300 ppm reduzieren wollen, müssen wir die direkte Abscheidung aus der Luft nutzen.

Die Entwicklungen von MOFs und COFs sind möglicherweise ein wichtiger und sogar entscheidender Baustein beim Kampf gegen die Klimakrise. Die weitere Entwicklung auf dem Gebiet dieser Materialien wird in den nächsten Jahren und Jahrzehnten möglicherweise ein echter GameChanger gegen die fortschreiten der Erwärmung ihrer Folgen sein..

Links

Studie Carbon dioxide capture from open air using covalent organic frameworks

Studie von Omar Yaghu Evolution of MOF single crystals