Thomas J. Schmidt leitet das Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI und ist Co-Direktor des Swiss Center of Excellence for NetZero Emissions (SCENE). © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Herr Schmidt, was ist eigentlich ein «MOF»?

Thomas J. Schmidt: MOF steht für «metal-organic framework» – auf Deutsch: metallorganische Gerüstverbindung. Anschaulich gesagt ist ein MOF ein winziger, aber hoch effektiver «Molekülschwamm» – mit ganz ähnlichen Eigenschaften wie ein Küchenschwamm: Der nimmt Flüssigkeiten in Poren in seinem Inneren auf und kann sie wieder abgeben. Ein MOF tut das Gleiche, aber mit einzelnen Molekülen. 

Wie sieht so ein Molekülschwamm aus?

Auf den ersten Blick recht unspektakulär. MOFs sind meistens kristalline Pulver wie Küchensalz. Aber ihr Name verrät, was in ihnen steckt: Es sind Gebilde aus einer metallenen und einer organischen Komponente. Metallionen bilden Knotenpunkte; und komplexe organische Moleküle, sogenannte «Linker», verbinden diese untereinander. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales, hybrides Kristallgerüst. 

So ähnlich wie Kristalle, die man auch in der Natur kennt?

Mit einem entscheidenden Unterschied: MOFs sind künstliche Gebilde, oft entworfen am Computer und gezüchtet im Labor. Auch bei uns am PSI. Der Clou dabei ist, dass wir durch geschickte Wahl der Knoten und Linker Kristalle mit ganz spezifischen Eigenschaften herstellen können. Denn je nachdem, welche Metallionen man mit welchen organischen Molekülen kombiniert, ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, wie zum Beispiel Poren verschiedener Grösse und Form. 

Man muss sich nicht länger in der Natur nach geeigneten Stoffen umsehen, sondern setzt sie aus den entsprechenden Bausteinen einfach selbst zusammen?

Das ist die Grundidee, aber in der Praxis ist es nicht ganz so einfach. Wir müssen zum Beispiel die richtigen Metallionen und Linker finden, damit das Gerüst stabil ist und nicht etwa bei hohen Temperaturen oder bei Luftfeuchtigkeit zerfällt. Und, ganz wichtig, damit das MOF später das macht, was wir von ihm wollen, müssen wir den Linker bewusst auswählen und herstellen. Diese Vorarbeiten, die wir bei uns am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften des PSI durchführen, sind nicht selten aufwendiger als die eigentliche Synthese des MOF, für die es tatsächlich inzwischen oft etablierte Verfahren gibt. 

Für welche Zwecke erforschen Sie MOFs?

Marco Ranocchiari, seit Anfang des Jahres Leiter des neuen Labors für Energietechnologien und Innovation bei uns am Zentrum, brachte vor mehr als zehn Jahren die MOF-Forschung ans PSI. Seither werden in vielen verschiedenen Laboren zu den Materialien Forschung betrieben. Unter anderem interessieren wir uns besonders für MOFs, mit denen man Treibhausgase wie CO₂ einfangen kann oder die bei der Produktion alternativer Kraftstoffe helfen.

CO₂ einfangen, um es dann zu unter der Erde zu «entsorgen», wie Sondermüll?

Darüber wird tatsächlich nachgedacht. Für dieses «CO₂ capture and storage» sind MOFs wegen ihrer hoch-porösen Struktur optimal: Zwar ist jede einzelne Pore, je nach verwendetem Linker-Molekül, nur wenige millionstel Millimeter gross; doch ein einziges Gramm enthält so viele davon, dass ihre Oberfläche ausgebreitet mehrere Fussballfelder abdecken kann. Und CO₂ und Methan sind eher kleine Moleküle. Ein Teelöffel MOF-Material kann so leicht mehrere Liter davon speichern. 

Aber wir wollen noch einen Schritt weiter gehen: Wir wollen das CO₂ wiederverwenden. Wir entwickeln MOFs, die nicht nur CO₂ aufnehmen, sondern auch einfach wieder abgeben können. Diese Arbeiten finden innerhalb des Swiss Center of Excellence for NetZero Emissions, SCENE, statt.

Was ist SCENE?

SCENE ist eine von sechs Gemeinschaftsinitiativen des ETH-Rats zum Thema «Energie, Klima und ökologische Nachhaltigkeit». Mehr als hundert Forschende des PSI, der Empa, der WSL, der Eawag sowie den beiden ETH in Zürich und Lausanne arbeiten hier daran, Treibhausgasemissionen zu vermeiden oder zu beseitigen beziehungsweise weiter zu nutzen. Das PSI hat die Leitung von SCENE und ich fungiere als einer der Co-Direktoren. Unsere Forschung am Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften zum CO₂-Einfang mit MOFs wird durch SCENE finanziert.

Sie sagten, ein Ziel von SCENE sei die Wiederverwertung von CO₂. Wieso?

Man darf nicht vergessen, dass CO₂ eine Kohlenstoffquelle für die chemische Industrie ist. Bei der Entwicklung von Medikamenten, Kunststoffen oder Basischemikalien – überall wird Kohlenstoff als Rohstoff benötigt. Und momentan stammt der weitestgehend aus Erdgas. Wenn man CO₂ stattdessen aus der Luft entnimmt und wiederverwendet, braucht man das Erdgas nicht mehr. Das wäre wirklich ein grosser Schritt auf dem Weg hin zu einer klimafreundlichen Industrie und zur «Netto-Null», die die Schweiz ja bis 2050 anstrebt.

SCENE (Swiss Center of Excellence on Net-Zero Emissions) ist eine gemeinsame Initiative, die vom ETH-Rat mitfinanziert wird. Beteiligt sind die vier Forschungsinstitute des ETH-Bereichs – PSI, Empa, WSL und Eawag – sowie die ETH Zürich und die EPFL. SCENE deckt ein breites Spektrum an Forschungsbereichen ab, die mit dem Ziel der Netto-Null-Emissionen in Zusammenhang stehen, und bietet ein Netzwerk für die institutsübergreifende Zusammenarbeit. © Empa

Sie sprachen auch alternative Treibstoffe an.

Es ist klar, dass wir – wenn wir die Klimaziele ernst nehmen – in Zukunft unsere Autos, Schiffe und Flugzeuge nicht länger mit fossilen Kraftstoffen antreiben können. Eine wichtige Rolle wird Wasserstoff spielen: als Treibstoff, aber auch bei der Speicherung regenerativer Energien oder der Herstellung von Ammoniak und anderen wichtigen Chemikalien. Um Wasserstoff zu gewinnen, wird Wasser durch Elektrolyse in seine Bestandteile gespalten. Dazu legt man eine elektrische Spannung zwischen zwei Elektroden in einem Wasserbad an: An der positiv geladenen Anode bildet sich Sauerstoff, an der negativen Kathode Wasserstoff. 

Wo kommen da die MOFs ins Spiel?

MOFs können als Katalysatoren dienen, die die Bildung dieser Gase vereinfachen. Dadurch können die richtigen MOFs dazu beitragen, dass die Wasserelektrolyse rentabler wird. Klassische Katalysatormaterialien verwenden oft teure Edelmetalle, und sie lassen sich auch nicht massgeschneidert herstellen. Eine von Emiliana Fabbri und mir geleitete Forschungsgruppe untersucht daher, welche MOFs für diesen Zweck am besten geeignet sind, und entwickelt entsprechende Prototypen. Aber nicht nur bei der Elektrolyse von Wasser braucht man Katalysatoren, sondern zum Beispiel auch, um aus Wasserstoff und Kohlenstoff synthetischen und damit nachhaltigen Flugzeugtreibstoff herzustellen. Bei uns hat da die Gruppe von Marco Ranocchiari Pionierarbeit geleistet und baut gerade zusammen mit der Metafuels AG aus Adliswil als Industriepartner eine Demonstrationsanlage auf dem PSI-Gelände.

Kabel und Gasschläuche sind Teil dieses Teststands, der im Rahmen von SCENE am PSI betrieben wird. Er dient der Elektrolyse von Wasser und CO₂. Auch Katalysatormaterialien aus der Klasse der MOFs werden hier untersucht. © Paul Scherrer Institut PSI/Mahir Dzambegovic

Wie kann man sich die Forschung an MOF-Katalysatoren konkret vorstellen?

Wir untersuchen MOFs auf verschiedenen Ebenen. Zum Beispiel nutzen Vitaly Sushkevitch und Jeroen van Bokhoven die SLS, um die einzelnen Schritte der MOF-Synthese abzubilden und besser zu verstehen. Im Bereich der Wasserelektrolyse wollen wir zum Beispiel wissen, wie sich Katalysatoren während der Elektrolyse verändern. Dabei spielt die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am PSI eine entscheidende Rolle: Ihr Röntgenlicht dringt in die Elektrolysezellen ein und zeigt uns auf molekularem Niveau, was darin passiert. Und das in Echtzeit, also während die chemischen Reaktionen am Katalysator ablaufen. Sie sehen, die SLS bietet da weltweit einzigartige Möglichkeiten für sehr unterschiedliche Fragestellungen, vor allem im Bereich der Röntgenabsorptionsspektroskopie und der bildgebenden Röntgentomografie. Das hilft uns ganz entscheidend dabei, die Schwächen und Stärken verschiedener MOF-Varianten zu ermitteln und immer bessere Katalysatoren zu entwickeln. Und zu guter Letzt: Haben wir einen neuen MOF-Katalysator, muss dieser vor technischer Nutzung noch in die richtige makroskopische Form gebracht werden. Dieser essenzielle Schritt wird bei uns von Andrea Testino durchgeführt, der so beispielsweise die Nutzung von PSI-Katalysatoren in der bereits erwähnten Demonstrationsanlage ermöglicht.

Hat das SLS-Upgrade Ihre Forschungsmöglichkeiten verbessert? 

Mit der neuen SLS können wir dank des brillanteren Röntgenstrahls viel schneller messen. Wir nehmen nun komplette Röntgenspektren in weniger als einer Sekunde auf! Und wenn wir ergänzend dazu auch noch messen wollen, wie die ultrakurzlebigen molekularen Zwischenstadien während einer chemischen Reaktion aussehen, nutzen wir den Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des PSI. 

Auf welches konkrete Ergebnis Ihres Forschungszentrums sind Sie besonders stolz?

Letzten Sommer hat Julia Linke, eine unserer Doktorandinnen in der Forschungsgruppe für Elektrokatalyse und Grenzflächen, ihre Promotion mit einem sehr spannenden Resultat abgeschlossen: Sie konnte zeigen, dass man einen funktionierenden Katalysator für die Elektrolyse bereits aus einer Zwischenstufe der MOF-Synthese fertigen kann, die ohne den letzten Kristallisationsschritt und mit niedrigeren Temperaturen auskommt. Das heisst, wir sind jetzt in der Lage, das Herstellungsverfahren entscheidend abzukürzen und zu vereinfachen. Das verspricht zusätzliche Kostenersparnisse für mögliche kommerzielle Anwendungen. 

Sind Sie optimistisch, dass MOFs sich zu den Wundermaterialien entwickeln, für die man sie hält?

Man muss bedenken, dass CO₂-Speicherung und Katalyse nur zwei von unzähligen potenziellen Anwendungen sind. MOFs haben die Fähigkeit, jede beliebige Kombination von Gasen zu trennen, zu speichern und wieder verfügbar zu machen. Oder nehmen Sie die Medizin: Da können MOFs Wirkstoffe transportieren und gezielt im Körper ausschütten. Man kennt heute schon 90 000 verschiedene Varianten von MOFs und Computermodelle sagen hunderttausende weitere voraus. Auch wenn nicht alle davon stabil sind, jede Kombination aus Metallion und organischer Verbindung bringt ihre ganz spezifischen Eigenschaften mit. Wir kennen noch längst nicht alles, was man mit MOFs machen kann.

Interview: Jan Hattenbach

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Quelle: «Ein Teelöffel MOF speichert literweise CO₂» | News & Events | PSI