Grüne Synthese von COFs für Umweltanwendungen

Aufgrund des weltweit steigenden Energiebedarfs gewinnt die Entwicklung CO 2-neutraler und sauberer Energietechnologien enorm an Bedeutung. Als eine der vergleichsweise sauberen Energiequellen deckt die Kernenergie heute etwa 11 Prozent des weltweiten Strombedarfs. In jüngster Zeit hat der Bau und die Erweiterung von Kernreaktoren zu einer erhöhten Nachfrage nach den dafür benötigten Materialien wie seltenen Erden, Aktiniden und Technetium geführt. Damit diese saubere Form der Energieerzeugung nun ihr volles Potenzial entfalten kann, muss eine Reihe von Hürden überwunden werden. So sind beispielsweise die Weiterverarbeitung oder die Entsorgung abgebrannter Brennstäbe die größten Einschränkungen der Kernenergie. Die Strahlungssicherheit ist ein weiteres ernsthaftes Problem, da der Uranabbau in großem Maßstab und nukleare Unfälle in den letzten Jahrzehnten zur Freisetzung schädlicher Mengen an Radioisotopen und zur Verseuchung der Umwelt mit giftigen Chemikalien geführt haben. Darüber hinaus ist die Nachfrage nach den für Kernkraftwerke benötigten Rohstoffen in letzter Zeit sprunghaft angestiegen, da diese Ressourcen auch für andere wichtige Anwendungen wie die Herstellung von Hocheffizienzlampen, Elektrofahrzeugen, tragbaren elektronischen Geräten und Dauermagneten unerlässlich sind. Daher wird der Entwicklung neuer Materialien und Technologien zur Verbesserung des Brennstoffkreislaufs derzeit besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In den letzten Jahren wurden funktionelle poröse Adsorbentien auf der Grundlage von metallorganischen Gerüsten (MOFs), Polymeren, mesoporösem Siliziumdioxid, Kohlenstoff usw. für die Extraktion von Radioisotopen entwickelt und getestet. Unter sehr sauren Bedingungen, wie sie bei der Behandlung radioaktiv kontaminierter Abwässer vorherrschen, weisen die oben genannten Materialien jedoch eine sehr geringe Adsorptionskapazität sowie eine schlechte Wiederverwendbarkeit und Selektivität auf. Aus diesem Grund gibt es derzeit nur sehr wenige Materialien, die alle Anforderungen für eine wirksame Extraktion und Trennung von Seltenen Erden und Aktiniden erfüllen. Kovalente organische Gerüste (COF), die aus kristallinen, porösen Polymeren mit starken kovalenten Bindungen bestehen, könnten aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie geringe Dichte, gute chemische Stabilität sowie große spezifische Oberfläche und periodisch angeordnete Struktur ideale Vertreter fester Sorptionsmittel sein. Bei den klassischen solvothermischen Synthesen, wie sie bei der Herstellung von COFs angewandt werden, stellt das Up-Scaling jedoch ein großes Problem dar. Darüber hinaus steckt die Forschung zu COFs noch in den Kinderschuhen, und ihre Anwendung für den Umweltschutz ist derzeit auf wenige Beispiele beschränkt. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, eine Methodik für die umweltfreundliche Synthese von maßgeschneiderten COFs in großem Maßstab zu entwickeln. Außerdem soll der Zusammenhang zwischen der Struktur, insbesondere der Porengröße, und der Anzahl der funktionellen Gruppen der COF-Materialien auf die Extraktionsleistung für kritische Metalle untersucht werden. Als Lösungsmittel für die Extraktionsreaktionen wird nur Wasser verwendet, das sowohl in großen Mengen verfügbar als auch umweltfreundlich ist. Durch diese Vorteile könnte dieses Projekt die oben genannten Einschränkungen direkt angehen und somit sowohl einen Ausgangspunkt für die grüne Synthese von COFs bieten als auch deren Anwendung im Umweltschutz testen.

Aufgrund des weltweit steigenden Energiebedarfs gewinnt die Entwicklung CO2-neutraler und sauberer Energietechnologien enorm an Bedeutung. Als eine der vergleichsweise sauberen Energiequellen deckt die Kernenergie heute etwa 11 Prozent des weltweiten Strombedarfs. In jüngster Zeit hat der Bau und die Erweiterung von Kernreaktoren zu einer erhöhten Nachfrage nach den dafür benötigten Materialien wie seltenen Erden, Aktiniden und Technetium geführt. Damit diese saubere Form der Energieerzeugung nun ihr volles Potenzial entfalten kann, muss eine Reihe von Hürden überwunden werden. So sind beispielsweise die Weiterverarbeitung oder die Entsorgung abgebrannter Brennstäbe die größten Einschränkungen der Kernenergie. Die Strahlungssicherheit ist ein weiteres ernsthaftes Problem, da der Uranabbau in großem Maßstab und nukleare Unfälle in den letzten Jahrzehnten zur Freisetzung schädlicher Mengen an Radioisotopen und zur Verseuchung der Umwelt mit giftigen Chemikalien geführt haben. Darüber hinaus ist die Nachfrage nach den für Kernkraftwerke benötigten Rohstoffen in letzter Zeit sprunghaft angestiegen, da diese Ressourcen auch für andere wichtige Anwendungen wie die Herstellung von Hocheffizienzlampen, Elektrofahrzeugen, tragbaren elektronischen Geräten und Dauermagneten unerlässlich sind. Daher wird der Entwicklung neuer Materialien und Technologien zur Verbesserung des Brennstoffkreislaufs derzeit besondere Aufmerksamkeit geschenkt. In den letzten Jahren wurden funktionelle poröse Adsorbentien auf der Grundlage von metallorganischen Gerüsten (MOFs), Polymeren, mesoporösem Siliziumdioxid, Kohlenstoff usw. für die Extraktion von Radioisotopen entwickelt und getestet. Unter sehr sauren Bedingungen, wie sie bei der Behandlung radioaktiv kontaminierter Abwässer vorherrschen, weisen die oben genannten Materialien jedoch eine sehr geringe Adsorptionskapazität sowie eine schlechte Wiederverwendbarkeit und Selektivität auf. Aus diesem Grund gibt es derzeit nur sehr wenige Materialien, die alle Anforderungen für eine wirksame Extraktion und Trennung von Seltenen Erden und Aktiniden erfüllen. Kovalente organische Gerüste (COF), die aus kristallinen, porösen Polymeren mit starken kovalenten Bindungen bestehen, könnten aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie geringe Dichte, gute chemische Stabilität sowie große spezifische Oberfläche und periodisch angeordnete Struktur ideale Vertreter fester Sorptionsmittel sein. Bei den klassischen solvothermischen Synthesen, wie sie bei der Herstellung von COFs angewandt werden, stellt das Up-Scaling jedoch ein großes Problem dar. Darüber hinaus steckt die Forschung zu COFs noch in den Kinderschuhen, und ihre Anwendung für den Umweltschutz ist derzeit auf wenige Beispiele beschränkt. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, eine Methodik für die umweltfreundliche Synthese von maßgeschneiderten COFs in großem Maßstab zu entwickeln. Außerdem soll der Zusammenhang zwischen der Struktur, insbesondere der Porengröße, und der Anzahl der funktionellen Gruppen der COF-Materialien auf die Extraktionsleistung für kritische Metalle untersucht werden. Als Lösungsmittel für die Extraktionsreaktionen wird nur Wasser verwendet, das sowohl in großen Mengen verfügbar als auch umweltfreundlich ist. Durch diese Vorteile könnte dieses Projekt die oben genannten Einschränkungen direkt angehen und somit sowohl einen Ausgangspunkt für die grüne Synthese von COFs bieten als auch deren Anwendung im Umweltschutz testen.