Synthesis and characterization of metal-organic frameworks for heat transformation applications

Thermisch angetriebene Wärmepumpen beziehen zusätzlich zur eingebrachten Antriebswärme Energie aus der Umgebung für Heizzwecke mit ein und sind damit klassischen Heizsystemen in puncto Effizienz überlegen. Auf dem gleichen Prinzip basierende Kältemaschinen können im Sommer reichlich verfügbare Wärme zur Kälteerzeugung nutzen und so zur Einsparung großer Mengen elektrischer Energie und zur Entlastung der Stromnetze beitragen. Realisiert werden entsprechende Anlagen häufig über zyklische Adsorptionsprozesse. Metallorganische Netzwerkverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs) sind aufgrund ihrer unerreicht hohen Porosität und chemischen Vielfalt von besonders hohem Interesse für den Einsatz als Adsorbentien. Erstes Schwerpunkthema der vorliegenden Arbeit ist die Identifikation derjenigen MOFs, die besonders für das Arbeitsmedium Wasser geeignet sind. Eine Vorauswahl von zwölf MOFs wurde synthetisiert und umfassend anwendungsbezogen charakterisiert (Wasser-Adsorptionscharakteristik, Zyklenstabilität, thermophysikalische Eigenschaften). MIL-lOO(Fe) und mikroporöses Aluminiumfumarat (µp-AF) erwiesen sich in diesem Zusammenhang als besonders vielversprechend. Im zweiten Schrit wurde das Temperaturgradienten- Verfahren zur Herstellung entsprechend leistungsfähiger Beschichtungen ent- wickelt. Voll zugängliche und thermisch optimal angekoppelte Schichten von ausreichender Dicke und guter mechanischer Stabilität konnten damit in einem Arbeitsgang auf metallische Strukturen wie etwa Wärmeüberträger direkt aufkristallisiert werden. Die Variabilität der Methode wurde an den Beispielen von HKUST-l und mikroporösem Aluminiumfumarat belegt. Die so erzeugten Schichten wurden strukturell und mit Blick auf die geplante Anwendung umfassend charakterisiert. Untersuchungen zur effizienten und technisch machbaren Synthese kommerziell interessanter MOFs (drucklose Ausfällung von MIL-lOO(Fe) aus homogener Lösung über einen reduktiven Reaktionsweg, Er- höhung der Ausbeute bei der Synthese von MIL-lOl(Cr) durch den Einsatz zusätzlicher Basen, Untersuchungen zur Rolle der Flusssäure) runden die Arbeit ab