Metaal-organisch raamwerk: chemische sponzen met een gigantisch inwendig oppervlak
Stel je een suikerklontje voor dat, als je het helemaal zou uitvouwen, een oppervlak had zo groot als een voetbalveld. Dat klinkt onmogelijk, maar het is precies wat een metaal-organisch raamwerk (in het Engels metal-organic framework, afgekort MOF) doet. Het is geen suiker, maar een kristallijn materiaal dat is opgebouwd als een driedimensionaal bouwwerk vol microscopisch kleine kamertjes en gangetjes. Al die holtes bij elkaar zorgen voor een oppervlak dat vele malen groter is dan je op basis van het kleine volume zou verwachten.
Een MOF bestaat uit twee soorten bouwstenen: metaalionen of kleine metaalclusters die als verbindingspunten dienen, en organische moleculen die deze punten aan elkaar knopen, een beetje zoals de verbindingsstukjes in een bouwpakket. Door constant dezelfde combinatie te herhalen, ontstaat een regelmatig kristalrooster met poriën van nanometerschaal: duizenden keren kleiner dan de dikte van een haar. Die enorme hoeveelheid inwendig oppervlak maakt MOF's aantrekkelijk overal waar je gassen of moleculen wilt vastgrijpen, opslaan of scheiden.
Wat is het precies?
De basis van een MOF is simpele scheikunde die op een slimme manier wordt herhaald. Metaalionen (bijvoorbeeld zink, koper of zirkonium) vormen samen met een paar zuurstofatomen een klein clustertje: het knooppunt. Dat knooppunt heeft meerdere "armen" waar organische moleculen, de zogeheten linkers, zich aan kunnen hechten. Linkers zijn vaak stugge, staafvormige moleculen zoals carbonzuren of stikstofhoudende ringen (imidazolaten). Doordat elk knooppunt aan meerdere linkers vastzit en elke linker weer aan meerdere knooppunten, groeit het geheel uit tot een repeterend driedimensionaal netwerk, ongeveer zoals een bouwsteiger die zich in alle richtingen herhaalt.
Tussen die steigerbalken ontstaan holtes: de poriën. De grootte, vorm en chemische eigenschappen van die poriën kun je sturen door een ander metaal of een andere, langere of kortere linker te kiezen. Scheikundige Omar Yaghi, een van de grondleggers van dit vakgebied, noemde deze aanpak reticulaire chemie: het systematisch ontwerpen van netwerkstructuren door vooraf te bepalen welke bouwstenen je combineert. Het resultaat is een soort moleculaire Lego-doos, waarmee onderzoekers materialen op maat kunnen maken voor een specifiek gas of een specifieke toepassing.
Het resultaat is meestal een fijn poeder, dat voor praktisch gebruik vaak wordt geperst tot korrels of pellets. Sommige MOF's hebben een inwendig oppervlak van duizenden vierkante meters per gram materiaal, wat verklaart waarom relatief kleine hoeveelheden toch grote hoeveelheden gas kunnen vasthouden.
Wat wil men ermee bereiken?
De centrale belofte van MOF's is dat je met weinig materiaal veel moleculen kunt vangen, opslaan of scheiden, vaak met minder energie dan bestaande methoden. Bij gasopslag gaat het bijvoorbeeld om waterstof of methaan (aardgas): MOF's zouden deze gassen bij lagere druk kunnen opslaan dan in de huidige stalen drukvaten, wat opslagtanks lichter en veiliger kan maken, onder meer voor voertuigen op waterstof of aardgas.
Een tweede grote toepassing is CO2-afvang, zowel uit de rookgassen van fabrieken als rechtstreeks uit de buitenlucht (direct air capture). De poriën van een MOF kunnen zo worden ontworpen dat ze selectief CO2-moleculen vasthouden, terwijl andere gassen erdoorheen stromen. Dat zou een alternatief kunnen zijn voor de energie-intensieve chemische wasprocessen die nu vaak worden gebruikt.
Verder wordt onderzocht of MOF's water uit lucht kunnen winnen, wat interessant is voor droge, aride gebieden zonder betrouwbare drinkwatervoorziening. Ook katalyse (het versnellen van chemische reacties), gecontroleerde afgifte van medicijnen en sensoren die sporen van giftige of gevaarlijke gassen detecteren, behoren tot de onderzochte toepassingen. De gemeenschappelijke ambitie is steeds dezelfde: bestaande, vaak grove of energieverslindende processen vervangen door iets compacters en efficiënters.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele concrete projecten illustreren waar het onderzoek staat:
- Het team van Omar Yaghi (UC Berkeley) testte in 2017 in de woestijn van Arizona een prototype dat met behulp van een MOF (varianten MOF-303 en MOF-801) water uit de droge lucht haalde, zonder externe energiebron behalve zonlicht. In 2018 volgden aanvullende veldtests in Death Valley, een van de droogste plekken van de Verenigde Staten.
- Mosaic Materials, een bedrijf dat voortkwam uit onderzoek rond Yaghi's groep, ontwikkelde MOF-materialen gericht op CO2-afvang. Het bedrijf werd in 2022 overgenomen door het energietechnologiebedrijf Baker Hughes, wat aangeeft dat de industrie interesse heeft in opschaling van deze technologie.
- Het Duitse chemieconcern BASF produceert MOF's op commerciële schaal onder de merknaam Basolite, bedoeld voor gasopslag en gaszuivering.
- MOF Technologies, gevestigd in Belfast (Noord-Ierland), opende een van de grotere fabrieken ter wereld die specifiek is ingericht op de productie van MOF's op (semi-)industriële schaal.
- NASA en het bijbehorende Jet Propulsion Laboratory (JPL) hebben, deels voortbouwend op Yaghi's onderzoek, gekeken naar MOF-gebaseerde systemen om water uit lucht te winnen in droge omgevingen.
Hoe ver is de techniek?
Sinds de jaren negentig is het aantal wetenschappelijke publicaties over MOF's enorm gegroeid, en zijn er inmiddels tienduizenden verschillende MOF-structuren beschreven. De fundamentele scheikunde wordt als behoorlijk volwassen beschouwd: in 2018 ontvingen de drie grondleggers Omar Yaghi, Susumu Kitagawa en Richard Robson gezamenlijk de Wolf Prize in Chemistry, een van de meest aangezien onderscheidingen in het vakgebied.
De praktische toepassing loopt echter duidelijk achter op de laboratoriumresultaten. De meeste projecten bevinden zich nog in een vroege pilot- of nichefase. Watervangers uit lucht zijn in veldtests werkzaam gebleken, maar nog niet op grote schaal betaalbaar of wijdverspreid. Waterstofopslag voor voertuigen oogt veelbelovend in laboratoriumomstandigheden, maar haalt tot nu toe niet overal de doelstellingen (zoals die van het Amerikaanse Department of Energy) tegen een lage kostprijs.
Een aantal hardnekkige obstakels remt de opschaling. De synthese van organische linkers is vaak kostbaar. Veel (niet alle) MOF's verliezen hun structuur of prestaties bij blootstelling aan vocht of waterdamp, wat een probleem is voor toepassingen in de buitenlucht. Het opschalen van laboratoriumhoeveelheden (grammen) naar industriële hoeveelheden (tonnen) blijkt in de praktijk lastiger dan gedacht. Ook kost het regenereren van een verzadigd MOF, het weer "leegmaken" zodat het opnieuw gas kan opnemen, energie, wat ten koste kan gaan van de beloofde efficiëntiewinst. Tot slot is het poeder mechanisch kwetsbaar en moet het meestal eerst worden verwerkt tot stevigere korrels of pellets voordat het bruikbaar is. Een waterbestendiger subklasse, de zogeheten zeolitische imidazolaat-raamwerken (ZIF's, waarvan ZIF-8 het bekendste voorbeeld is), is mede daarom commercieel kansrijker gebleken dan veel andere MOF's.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld wordt van oudsher geleid door een klein aantal grondleggers: Omar Yaghi (University of California, Berkeley, Verenigde Staten), Susumu Kitagawa (Kyoto University, Japan) en Richard Robson (University of Melbourne, Australië), die in 2018 gezamenlijk de Wolf Prize in Chemistry ontvingen. Andere vooraanstaande onderzoekers zijn Omar Farha en Joseph Hupp (Northwestern University, VS), Mohamed Eddaoudi (KAUST, Saoedi-Arabië) en Christian Serre (ENS Parijs, Frankrijk).
Op industrieel vlak zijn onder meer BASF (Duitsland), MOF Technologies (Noord-Ierland/Verenigd Koninkrijk) en Baker Hughes, via de overname van Mosaic Materials (Verenigde Staten), actief. Ook ruimtevaartorganisatie NASA, via het Jet Propulsion Laboratory, doet onderzoek naar toepassingen van MOF's. Daarnaast investeert China zwaar in dit onderzoeksveld: een groot en groeiend deel van de wetenschappelijke publicaties over MOF's komt tegenwoordig van Chinese universiteiten.