Poreus materiaal: waarom miljarden minuscule gaatjes de toekomst maken
Een poreus materiaal is een vaste stof die van binnen bezaaid is met piepkleine holtes, kanaaltjes en gaatjes. Denk aan een keukenspons: die lijkt compact, maar bestaat voor een groot deel uit lucht ingesloten door een dun web van materiaal. Moderne poreuze materialen werken volgens hetzelfde principe, maar dan geraffineerd tot op de schaal van atomen en moleculen. Waar een spons gaatjes heeft van een paar millimeter, hebben de meest geavanceerde poreuze materialen holtes die duizend tot een miljoen keer kleiner zijn dan de dikte van een haar.
Dat klinkt als een detail voor scheikundigen, maar het heeft grote gevolgen. Al die kleine holtes zorgen samen voor een enorm inwendig oppervlak. Eén gram van een goed ontworpen poreus materiaal kan een oppervlakte hebben zo groot als een voetbalveld, allemaal opgevouwen in een volume ter grootte van een suikerklontje. Op dat oppervlak kunnen gasmoleculen zich hechten, chemische reacties plaatsvinden of water condenseren. Daarom duiken poreuze materialen op in nieuwsberichten over CO2-opvang, waterstofopslag, drinkwater uit woestijnlucht en batterijen die sneller opladen: het zijn stuk voor stuk toepassingen waarbij een groot, goed toegankelijk oppervlak het verschil maakt.
Wat is het precies?
Scheikundigen delen poreuze materialen in op basis van de grootte van hun poriën, volgens een classificatie van de internationale scheikundeunie IUPAC. Micropovarious zijn kleiner dan 2 nanometer (een nanometer is een miljardste meter), mesoporiën liggen tussen 2 en 50 nanometer, en macroporiën zijn groter dan 50 nanometer. Hoe kleiner de poriën, hoe groter doorgaans het oppervlak per gram materiaal, maar hoe lastiger het ook wordt voor moleculen om er snel doorheen te bewegen.
Er bestaan verschillende families van poreuze materialen, elk met hun eigen bouwprincipe. Zeolieten zijn kristallijne mineralen, opgebouwd uit silicium, aluminium en zuurstof, met een regelmatig rooster van kanaaltjes op moleculaire schaal. Metaal-organische raamwerken, beter bekend onder de Engelse afkorting MOF's (metal-organic frameworks), zijn kunstmatig ontworpen kristallen waarin metaalionen worden verbonden door organische moleculen, als een soort moleculair bouwpakket. Aerogels zijn extreem lichte materialen waarbij de vloeistof in een gel is vervangen door lucht, zonder dat de structuur instort. Daarnaast bestaan er poreus koolstof, poreus silicium en metaalschuim, elk gemaakt via een ander productieproces maar met hetzelfde uitgangspunt: veel lege ruimte, omringd door een vast skelet.
Het ontwerpen van zo'n materiaal is in feite architectuur op moleculaire schaal. Onderzoekers kiezen bouwstenen die zich vanzelf, door chemische bindingen, ordenen tot een voorspelbaar rooster. Door de bouwstenen te veranderen, kunnen ze de grootte van de poriën, de vorm van de kanaaltjes en de chemische eigenschappen van het oppervlak vrij precies afstellen op de beoogde toepassing.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter dit onderzoeksveld is simpel: veel technologische en klimaatuitdagingen draaien om het vangen, opslaan of scheiden van moleculen, en daarvoor is oppervlak de bepalende factor. Een materiaal met meer toegankelijk oppervlak kan meer CO2-moleculen uit de lucht vasthouden, meer waterstofgas opslaan in een kleiner volume, of meer waterdamp uit droge woestijnlucht onttrekken.
Concreet richt het onderzoek zich onder meer op: het afvangen van CO2 uit de atmosfeer of uit fabrieksschoorstenen, het compact en veilig opslaan van waterstof voor brandstofcelauto's, het zuiveren van drinkwater en het scheiden van verontreinigingen, het versnellen van chemische reacties als katalysator in de olie- en chemische industrie, het isoleren van gebouwen en ruimtevaartuigen met extreem lichte materialen, en het vergroten van de capaciteit van batterij- en supercondensatorelektroden. De belofte is telkens dezelfde: hetzelfde chemische proces, maar efficiënter, compacter of met minder energieverbruik, dankzij een slimmer ingericht materiaal.
Voorbeelden uit de praktijk
Zeolieten zijn de oudste succesverhalen. Al sinds de jaren zeventig gebruikt de olie-industrie synthetische zeolieten zoals ZSM-5, destijds ontwikkeld door oliemaatschappij Mobil, als katalysator om ruwe olie te kraken tot benzine en andere brandstoffen. Deze technologie draait wereldwijd nog altijd op industriële schaal in raffinaderijen.
Aerogels bewezen hun waarde letterlijk in de ruimte. Tijdens de Stardust-missie van NASA, gelanceerd in 1999, gebruikten wetenschappers een blok aerogel om stofdeeltjes van een komeet op te vangen zonder ze te vernietigen bij de inslag met hoge snelheid. De monsters keerden in 2006 terug naar de aarde. Op commerciële schaal maakt het Amerikaanse bedrijf Aspen Aerogels al ruim twee decennia isolatiedekens van aerogel, die inmiddels ook worden toegepast als thermische barrière tussen batterijcellen in elektrische auto's.
Op het gebied van MOF's geldt scheikundige Omar Yaghi van de University of California, Berkeley, als grondlegger; zijn onderzoeksgroep ontwikkelt sinds de jaren negentig nieuwe metaal-organische raamwerken. Een van de meest aansprekende toepassingen uit zijn lab is een apparaat dat met een MOF als spons voor waterdamp, drinkwater uit droge woestijnlucht haalt zonder externe energiebron, gedemonstreerd in praktijktesten in de Amerikaanse Mojavewoestijn.
Voor het afvangen van CO2 uit de buitenlucht combineert het Zwitserse bedrijf Climeworks, opgericht in 2009, poreuze filtermaterialen met een ventilatorsysteem. De grootste installatie van het bedrijf, Orca in IJsland, ging in 2021 in bedrijf en vangt CO2 af die vervolgens ondergronds wordt opgeslagen als gesteente. Tot slot spelen poreuze koolstofvarianten, waaronder geactiveerde kool en grafeenachtige structuren, een steeds grotere rol als elektrodemateriaal in onderzoek naar snellere batterijen en supercondensatoren.
Hoe ver is de techniek?
Het ontwikkelingsniveau verschilt sterk per materiaalfamilie. Zeolieten zijn volwassen technologie: al decennialang op industriële schaal in gebruik, goedkoop te produceren en chemisch stabiel. Aerogels zijn eveneens commercieel verkrijgbaar, vooral als isolatiemateriaal, al blijven ze relatief duur en broos, wat de toepassing in bijvoorbeeld gebouwconstructies beperkt.
MOF's staan er anders voor. Het aantal mogelijke ontwerpen is enorm, met tienduizenden gepubliceerde varianten, maar de meeste toepassingen bevinden zich nog in de onderzoeks- of pilotfase. Belangrijke obstakels zijn de productiekosten op grote schaal, de vaak beperkte stabiliteit bij vocht of hitte, en de uitdaging om een materiaal dat in het laboratorium goed werkt, ook betrouwbaar te maken in een fabriek die duizenden tonnen per jaar produceert. Directe luchtafvang van CO2 met poreuze sorbents, zoals bij Climeworks, is inmiddels operationeel maar nog altijd relatief duur per afgevangen ton CO2, en de wereldwijde capaciteit is in verhouding tot de uitstoot nog klein. Onderzoek naar waterstofopslag in poreuze materialen loopt al langer, maar heeft nog geen materiaal opgeleverd dat bij kamertemperatuur genoeg waterstof per kilogram materiaal vasthoudt om compressietanks overtuigend te vervangen.
Kortom: enkele toepassingen zijn volledig ingeburgerd, andere staan op het punt van opschaling, en een aantal veelbelovende ideeën, zoals grootschalige waterwinning uit lucht, blijven voorlopig demonstratieprojecten.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar poreuze materialen is sterk internationaal verspreid. In de Verenigde Staten lopen toonaangevende universitaire groepen voorop, met de University of California, Berkeley, als een van de bekendste centra voor MOF-onderzoek. Aspen Aerogels en NASA dragen bij aan de ontwikkeling en toepassing van aerogels. In Europa is Zwitserland relevant dankzij Climeworks, terwijl universiteiten en onderzoeksinstituten in onder meer Duitsland, Frankrijk, Nederland en het Verenigd Koninkrijk actief zijn op het gebied van katalyse, gasopslag en watertechnologie. China investeert de laatste jaren fors in materiaalonderzoek, inclusief poreuze materialen voor energieopslag en waterzuivering, en telt inmiddels een groot aantal wetenschappelijke publicaties op dit terrein. Ook de gevestigde chemische en petrochemische industrie, met bedrijven als ExxonMobil en BASF, blijft een belangrijke partij, vooral als het gaat om zeolietkatalysatoren op industriële schaal.