Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs): Schwammartige Kristalle stehen vor dem Durchbruch bei CO₂-Abscheidung, sauberer Energie und mehr

MOFs besitzen eine weltrekordverdächtige innere Oberfläche von bis zu etwa 7.000 m^2 pro Gramm, mit theoretischen Designs bis zu 14.600 m^2/g.
In etwa 20 Jahren haben Forscher fast 90.000 einzigartige MOF-Strukturen geschaffen, wobei theoretisch Hunderttausende weitere vorhergesagt werden.
MOFs sind poröse kristalline Netzwerke, die aus Metallknotenpunkten und organischen Verbindern aufgebaut sind und ein anpassbares 3D-Gitter bilden, das wie ein molekularer Schwamm wirkt.
CALF-20, ein zinkbasiertes MOF, kann unter industriellen Bedingungen etwa eine Tonne CO2 pro Tag und Kubikmeter aufnehmen.
ZnH-MFU-4l ist ein bahnbrechendes Hochtemperatur-CO2-Abscheidungs-MOF, das CO2 selektiv aus heißem Rauchgas bei etwa 300 °C bindet und mehr als 90 Prozent des CO2 einfängt.
DCF-1, das Mitte 2025 von Decarbontek eingeführt wird, ist ein kostengünstiges MOF aus Zinkoxid und Zitronensäure, das bei voller Skalierung voraussichtlich etwa 10 $ pro Kilogramm kosten wird.
Svante testet ein CALF-20-MOF-Sorbensystem in einer Zementfabrik, das etwa 1 Tonne CO2 pro Tag abscheiden kann.
MOF-303, ein aluminium-basiertes Wassergewinnungs-MOF, ermöglichte 2023 einen handgehaltenen Wassergewinner im Death Valley, der etwa 85–90 % des adsorbierten Wassers zurückgewann und bis zu 285 Gramm pro Kilogramm und Tag lieferte.
Das EU-Projekt MOST-H2, gestartet 2022, nutzt KI, um MOFs für die Wasserstoffspeicherung zu untersuchen; bis 2025 wurden Fortschritte mit über 10.000 gescreenten Strukturen und Prototypen gemeldet, die DOE-Ziele unter kryogenen Bedingungen erfüllen.
MIL-101(Cr) kann durch Behandlung mit Essigsäure von etwa 2,5 nm auf 5 nm Porengröße erweitert werden, was eine höhere Beladung mit Ibuprofen und 5-Fluorouracil sowie eine schnellere Freisetzung ermöglicht.

Ein Game-Changer in fortschrittlichen Materialien und Nachhaltigkeit

Stellen Sie sich ein Material vor, das so viel innere Oberfläche besitzt, dass eine Prise davon einer Fläche von sechs Fußballfeldern entspricht news.berkeley.edu. Solche Metall-organische Gerüstverbindungen (MOFs) sind poröse, kristalline Verbindungen, die aus Metallknoten bestehen, die durch organische Verbindungen verbunden sind und schwammartige Netzwerke im molekularen Maßstab bilden. Wissenschaftler preisen MOFs als Verbindungen mit „scheinbar unbegrenzten Möglichkeiten“ an, maßgeschneiderte Strukturen mit spezifischen Eigenschaften zu bauen cas.org. In den letzten 20 Jahren ist die Forschung an MOFs explodiert – fast 90.000 einzigartige MOF-Strukturen wurden geschaffen (und Hunderttausende weitere sind theoretisch vorhergesagt) cas.org. Dieser Aufschwung wird durch das Versprechen angetrieben, dass MOFs entscheidende Herausforderungen in den Bereichen Nachhaltigkeit und Technologie bewältigen können. Von der Abscheidung des klimawirksamen Kohlendioxids und der Speicherung von sauberem Wasserstoff bis hin zur Medikamentenabgabe und der Gewinnung von Wasser aus Wüstenluft – MOFs sind bereit, Durchbrüche zu erzielen in Bereichen von Energie und Umwelt bis hin zur Biomedizin cas.org cas.org. In diesem Bericht erklären wir was MOFs sind, wie sie funktionieren und hergestellt werden und warum sie als revolutionär gelten. Wir werden die wichtigsten Anwendungen untersuchen – darunter CO2-Abscheidung, Wasserstoffspeicherung, Medikamentenabgabe, Sensoren und Wassergewinnung – und dabei aktuelle wissenschaftliche Durchbrüche, reale Anwendungen und Expertenmeinungen hervorheben. Durch die Betrachtung der globalen Landschaft (USA, EU, China und darüber hinaus) und der neuesten Entwicklungen werden wir sehen, warum MOFs als bahnbrechende Materialien für eine nachhaltigere Zukunft gelten.

Was sind MOFs? Poröse Kristalle mit Rekord-Oberflächen

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind eine ungewöhnliche Klasse von Materialien, die wie molekulare Tinkertoys aufgebaut sind. Sie bestehen aus Metallionen oder -clustern, die als Knotenpunkte dienen und durch organische Moleküle (Liganden) als Streben miteinander verbunden sind. Diese Komponenten lagern sich selbst zu einem offenen, käfigartigen Kristallgitter zusammen – im Wesentlichen entsteht so ein 3D-poröses Netzwerk, das durch Koordinationsbindungen zusammengehalten wird cas.org. Das Ergebnis ist ein kristalliner Schwamm: MOFs besitzen eine extrem hohe Porosität und Oberfläche, was bedeutet, dass ihr Inneres voller winziger Hohlräume und Kanäle ist, in die andere Moleküle eindringen können. Tatsächlich halten MOFs den Weltrekord für die größte Oberfläche eines Materials – einige bieten bis zu ~7.000 m^2 pro Gramm, mit theoretischen Designs bis zu 14.600 m^2/g cas.org. Um das ins Verhältnis zu setzen: Schon ein Esslöffel eines typischen MOFs kann eine innere Oberfläche von der Größe mehrerer Fußballfelder haben, was reichlich Platz für die Adsorption von Gasen oder anderen Molekülen bietet news.berkeley.edu.

Diese riesige innere Oberfläche und die einstellbare Porenstruktur machen MOFs so besonders. Durch den Austausch der Metallknoten oder organischen Verbindungen können Chemiker verschiedene MOFs mit maßgeschneiderten Porengrößen, -formen und chemischen Funktionalitäten herstellen cas.org. Nahezu jede Kombination ist möglich – einer der Pioniere auf diesem Gebiet, Professor Omar Yaghi (der MOFs in den 1990er Jahren erstmals synthetisierte), hat festgestellt, dass Zehntausende von MOFs bereits hergestellt wurden und „Hunderttausende mehr“ von Algorithmen vorhergesagt werden cas.org. Diese modulare „retikuläre“ Designstrategie bedeutet, dass Wissenschaftler im Grunde Materialien nach Maß entwerfen können: Zum Beispiel kann ein MOF so konstruiert werden, dass es bevorzugt CO₂-Moleküle aufnimmt oder im Beisein eines Toxins leuchtet – einfach durch die Wahl geeigneter Bausteine. Die Kehrseite dieser Vielfalt ist eine Herausforderung – bei so vielen möglichen Strukturen ist es schwierig vorherzusagen, welches MOF für eine bestimmte Aufgabe am besten geeignet ist cas.org. (Forscher nutzen zunehmend KI und maschinelles Lernen, um MOF-Datenbanken zu durchsuchen und die vielversprechendsten Kandidaten vorzuschlagen – darauf kommen wir später noch zurück cas.org.)

Zusammengefasst ist ein MOF wie ein ultrafeiner Schwamm oder ein Gerüst im Nanomaßstab. Es besteht aus anorganischen und organischen Bausteinen, die in einem wiederholbaren Gitter angeordnet sind, was zu einem festen Material führt, das größtenteils aus leerem Raum besteht. Diese leeren Poren können Gastmoleküle aufnehmen. Entscheidend ist, dass MOFs in der Regel stabil bleiben, selbst nachdem ihre ursprünglichen Lösungsmittel-„Gäste“ entfernt wurden – das leere Gerüst bleibt intakt und porös und ist bereit, neue Moleküle zu adsorbieren und sie unter den richtigen Bedingungen wieder freizusetzen en.wikipedia.org. Diese reversible Aufnahme und Freisetzung ist der Schlüssel für Anwendungen von der Gasspeicherung bis zur Medikamentenfreisetzung. Wie Dr. Kurtis Carsch, ein Chemiker der UC Berkeley, erklärt: „Aufgrund ihrer einzigartigen Strukturen verfügen MOFs über eine hohe Dichte an Stellen, an denen man CO₂ unter den entsprechenden Bedingungen aufnehmen und freisetzen kann“ news.berkeley.edu – oder ebenso andere Moleküle aufnehmen und freisetzen kann. Im Wesentlichen bieten MOFs eine beispiellose Kombination aus hoher Kapazität (aufgrund der enormen Oberfläche), Einstellbarkeit (durch chemisches Design) und Reversibilität, was sie zu einer leistungsstarken Plattform in der Materialwissenschaft macht.

Wie werden MOFs hergestellt und wie funktionieren sie?

Die Synthese eines MOF ist oft einfacher, als seine komplexe Struktur vermuten lässt. Typischerweise lösen Wissenschaftler eine Metallquelle (wie ein Metallsalz) und ein organisches Linkermolekül in einem Lösungsmittel und fördern dann die Kristallbildung durch langsames Mischen, Erhitzen oder Verdampfen. Die Metallionen und Linker koordinieren und kristallisieren spontan zu einem geordneten Gerüst – wobei ein MOF-Kristall ähnlich wie Kandiszucker aus einer Zuckerlösung ausfällt, aber im molekularen Maßstab. Viele MOFs werden durch solvothermale Methoden hergestellt (Erhitzen der Zutaten in einem geschlossenen Gefäß), aber neuere Techniken umfassen die Mikrowellen-unterstützte Synthese, Sprühtrocknung und sogar mechanochemisches Mahlen ohne Lösungsmittel. Bemerkenswert ist, dass MOFs sich oft unter relativ milden Bedingungen selbst zusammenbauen können. Ein Beispiel: Ein kürzlich entwickeltes MOF zur Kohlenstoffabscheidung namens DCF-1 wird einfach durch Mischen von Zinkoxid mit Zitronensäure in Wasser synthetisiert – eine „sichere, nachhaltige und zum Patent angemeldete Methode“, die ein leistungsfähiges MOF kostengünstig liefert businesswire.com. Dies zeigt, wie Forscher die Produktionsmethoden verbessern, um die Kosten zu senken und aggressive Chemikalien zu vermeiden. MOF-Kristalle können von Nanometer- bis Millimetergröße reichen und werden üblicherweise zu Pulvern verarbeitet oder zu Pellets und Membranen für den praktischen Einsatz geformt.

Wie MOFs funktionieren läuft auf Adsorption und Selektivität hinaus. Ihre Poren wirken wie winzige Aufbewahrungsschränke oder Fallen für Moleküle. Wenn ein MOF einem Gas oder einer Flüssigkeit ausgesetzt wird, können Zielmoleküle in die Poren eindringen und an den inneren Oberflächen haften bleiben (durch van-der-Waals-Kräfte, chemische Wechselwirkungen an bestimmten Stellen usw.). Da MOFs so viel Innenfläche und oft chemische Gruppen haben, die bestimmte Moleküle binden, können sie erstaunliche Mengen aufnehmen. Zum Beispiel kann ein MOF (CALF-20, ein zinkbasiertes Gerüst) unter industriellen Bedingungen etwa eine Tonne CO₂ pro Tag und Kubikmeter Material aufnehmen businesswire.com – es wirkt im Grunde wie ein riesiger Schwamm für Kohlendioxid. Dennoch ist die Adsorption meist reversibel: Durch Änderung der Bedingungen (Erhitzen des MOF, Druckabsenkung oder Spülen mit einem anderen Gas) werden die eingeschlossenen Moleküle freigesetzt (desorbiert) und das MOF wird für einen weiteren Zyklus regeneriert news.berkeley.edu. Dieser zyklische Aufnahme- und Freisetzungsprozess ist entscheidend für Anwendungen wie die CO₂-Abscheidung oder Gasspeicherung, bei denen das MOF viele Male wiederverwendet werden muss. Im Beispiel der CO₂-Abscheidung, sobald das MOF mit CO₂ gesättigt ist, „kann das CO₂ entfernt werden, indem man seinen Partialdruck senkt – entweder durch Spülen mit einem anderen Gas oder durch Anlegen eines Vakuums. Das MOF ist dann bereit, für einen weiteren Adsorptionszyklus wiederverwendet zu werden“ news.berkeley.edu.

Die innere Chemie jedes MOF kann so abgestimmt werden, dass bestimmte Moleküle bevorzugt werden, was sie hoch selektiv macht. Einige MOFs haben offene Metallzentren oder funktionelle Gruppen in ihren Poren, die wie Haken für bestimmte Gase wirken. Andere sind mit Molekülen (wie Aminen oder Kupferstellen) dekoriert, die mit einem Zielmolekül (wie CO₂) reagieren. Diese Einstellbarkeit ist ein großer Vorteil – im Gegensatz zu traditionellen porösen Materialien (z. B. Aktivkohle oder Zeolithe) mit festen Eigenschaften können MOFs maßgeschneidert werden. „Ihre einstellbaren Eigenschaften sind der Schlüsselfaktor“, stellt ein CAS Insights-Bericht fest, „hohe Oberfläche und Porosität kombiniert mit anpassbarer Chemie geben MOFs die Fähigkeit, Gase und flüchtige Verbindungen zu adsorbieren, was großes Interesse an der Gastrennung und -speicherung, insbesondere für CO₂, weckt“ cas.org. Kurz gesagt, MOFs funktionieren, indem sie Moleküle selektiv in ihren nanoskalierten Poren einschließen – ähnlich wie ein Sieb oder Filter aus Molekülen – und sie können die Fracht später bei Bedarf wieder freigeben. Dieses einfache Konzept bildet die Grundlage für die Vielzahl von Anwendungen, die wir besprechen werden, vom Herausfiltern von CO₂ aus Abgasen über die dichtere Speicherung von Wasserstoff als Brennstoff bis hin zum Transport von Arzneimolekülen im Blutkreislauf.

Hauptanwendungen von MOFs

Die einzigartigen schwammartigen Eigenschaften von MOFs machen sie in einer erstaunlich breiten Palette von Anwendungen nützlich. Im Folgenden untersuchen wir einige der wirkungsvollsten Einsatzmöglichkeiten, die heute verfolgt werden – zusammen mit aktuellen Durchbrüchen und Beispielen in jedem Bereich.

CO₂-Abscheidung und Klimaschutz

Eine der dringendsten Anwendungen für MOFs ist das Abscheiden von Kohlendioxid aus dem Rauchgas von Kraftwerken oder sogar direkt aus der Luft. Die Reduzierung der CO₂-Emissionen ist entscheidend im Kampf gegen den Klimawandel, und MOFs gelten als „eine der vielversprechendsten Materialien für die CO₂-Abscheidung“, da sie CO₂ effizienter und mit geringerem Energieaufwand aufnehmen können als herkömmliche Methoden ccarbon.info. Die traditionelle CO₂-Abscheidungstechnologie verwendet flüssige Aminlösungen, um CO₂ zu binden, aber Amine sind korrosiv, energieintensiv in der Regeneration und funktionieren typischerweise nur bei relativ niedrigen Temperaturen (etwa 40–60 °C). Viele industrielle Rauchgase sind jedoch deutlich heißer (Abgase aus Zement- und Stahlwerken können über 200–300 °C erreichen), was die CO₂-Abscheidung schwierig und teuer macht, da die Gase zunächst abgekühlt werden müssen news.berkeley.edu. MOFs bieten einen möglichen Durchbruch: Sie können so entwickelt werden, dass sie CO₂ selbst unter rauen Bedingungen aufnehmen und es dann mit moderater Erwärmung oder Druckänderungen wieder freisetzen, wobei insgesamt deutlich weniger Energie als bei Aminwäschern verbraucht wird ccarbon.info.

In den späten 2024 berichteten Chemiker der UC Berkeley von einem bahnbrechenden MOF, das CO₂ aus heißem Abgas ohne vorherige Kühlung abscheiden kann. Das Material, bekannt als ZnH-MFU-4l, enthält Zinkhydridstellen in seinen Poren, die CO₂ bei hohen Temperaturen stark binden. „Wir haben herausgefunden, dass ein MOF Kohlendioxid bei beispiellos hohen Temperaturen abscheiden kann – Temperaturen, die für viele CO₂-emittierende Prozesse relevant sind“, sagte Dr. Kurtis Carsch, Ko-Erstautor der Studie. „Das galt bisher als unmöglich für ein poröses Material.“ news.berkeley.edu Unter simulierten Abgasbedingungen konnte dieses MOF selektiv CO₂ bei ~300 °C abfangen (typisch für Zement-/Stahlabgase) und über 90 % des CO₂ im Strom abscheiden („Deep Carbon Capture“), was mit der Leistung von flüssigen Aminen vergleichbar ist news.berkeley.edu. Ein solch hochtemperierter Betrieb vermeidet den Energie- und Wasseraufwand zur Abkühlung der Emissionen news.berkeley.edu und könnte die CO₂-Abscheidung für „schwer zu dekarbonisierende“ Industrien wie Stahl und Zement ermöglichen. „Da die Entropie dazu führt, dass Moleküle wie CO₂ mit steigender Temperatur immer lieber in der Gasphase bleiben, galt es bisher als unmöglich, solche Moleküle mit einem porösen Feststoff bei Temperaturen über 200 °C abzuscheiden“, bemerkte Professor Jeffrey Long, der die Forschung leitete. „Diese Arbeit zeigt, dass mit der richtigen Funktionalität… eine Hochkapazitätsabscheidung von CO₂ tatsächlich bei 300 °C möglich ist.“ news.berkeley.edu Die Entdeckung eröffnet einen neuen Designansatz (unter Verwendung von Metallhydridstellen in MOFs) für Kohlenstoffabscheidungsmaterialien der nächsten Generation news.berkeley.edu.MOFs glänzen auch in konventionelleren CO₂-Abscheiderollen. Das Interesse von Start-ups und Unternehmen ist sprunghaft angestiegen: ExxonMobil hat Patente auf MOF-Technologien zur Kohlenstoffabscheidung angemeldet cas.org, und Forscher an der KAUST in Saudi-Arabien haben MOFs zum Einfangen von CO₂ und zur Gastrennung patentiert cas.org. Zahlreiche Start-ups liefern sich ein Rennen um die Kommerzialisierung von MOF-basierten CO₂-Filtern. Zum Beispiel erforscht Nuada (ein in der EU ansässiges Start-up) MOF-Systeme, um Zementherstellern zu helfen, CO₂ aus Rauchgasen abzuscheiden cas.org. Ein weiteres Unternehmen, Mosaic Materials, entwickelte ein amin-funktionalisiertes MOF zur CO₂-Abscheidung, das so vielversprechend war, dass es 2022 vom Energietechnologieunternehmen Baker Hughes zur Skalierung übernommen wurde news.berkeley.edu. Das MOF von Mosaic wird in Pilotprojekten als Alternative zu flüssigen Aminen und sogar für die direkte CO₂-Abscheidung aus der Luft getestet news.berkeley.edu.

Erst Mitte 2025 gab Decarbontek, Inc. bekannt, dass es einen MOF-Adsorbens zur Kohlenstoffabscheidung kommerziell produziert. Das Unternehmen brachte DCF-1 (De-Carbon Framework-1) auf den Markt und bezeichnete es als „ein bahnbrechendes, kostengünstiges, leistungsstarkes MOF, das für skalierbare Kohlenstoffabscheidung entwickelt wurde“, jetzt kilogrammweise erhältlich bei ccarbon.info. „Mit der Einführung von DCF-1 setzen wir einen neuen Standard für Materialien zur Kohlenstoffabscheidung“, sagte Dr. Yong Ding, CEO von Decarbontek. „Es ist kosteneffizient, einfach herzustellen und hochwirksam – und macht Kohlenstoffabscheidung branchenübergreifend zugänglich.“ businesswire.com DCF-1 kann günstig hergestellt werden (unter Verwendung von gewöhnlichem Zinkoxid und Zitronensäure) und soll im großen Maßstab nur etwa 10 $ pro kg kosten, „vergleichbar mit gängigen Molekularsieben“, so Ding businesswire.com. Das ist bedeutsam, da MOFs lange als zu teuer für den Masseneinsatz galten; ein kostengünstiges, einfach herzustellendes MOF könnte ein großes Hindernis für die Einführung beseitigen ccarbon.info. Das Material soll eine hohe CO₂-Aufnahme mit einem ungiftigen, wasserbasierten Produktionsprozess verbinden, ideal für die Nachrüstung von Fabriken oder sogar das Herausfiltern von CO₂ aus der Luft businesswire.com. Das Produkt von Decarbontek und ähnliche Entwicklungen unterstreichen, wie MOF-Technologie im Bereich der Kohlenstoffabscheidung vom Labor auf den Markt übergeht.

Vielleicht das greifbarste Zeichen des Fortschritts sind Pilotprojekte: Svante, ein kanadisches Unternehmen, verwendet ein MOF-Sorbens (CALF-20, hergestellt von BASF) in einem Demonstrationssystem, das etwa 1 Tonne CO₂ pro Tag aus dem Abgasstrom eines Zementwerks abscheidet businesswire.com. Dieser Praxistest zeigt, dass MOFs industrielle Gasströme bewältigen und tatsächlich unter realen Bedingungen funktionieren können. Solche Entwicklungen deuten darauf hin, dass MOFs bald eine Schlüsselrolle bei Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)-Initiativen weltweit spielen könnten und so der Industrie helfen, CO₂-Emissionen zu senken. Da die CO₂-Abscheidung entscheidend für die Eindämmung des Klimawandels ist (insbesondere für Sektoren, die nicht einfach elektrifiziert werden können), gelten MOFs weithin als „Wundermaterial“-Durchbruch für die Dekarbonisierung news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Durch höhere Effizienz und geringere Energieverluste könnte die CO₂-Abscheidung mit MOFs eine breitere Einführung von CCUS ermöglichen – eine wichtige Brücke zu einer Netto-Null-Zukunft, während erneuerbare Energien ausgebaut werden. Zusammengefasst bieten MOFs ein leistungsstarkes neues Werkzeug zur CO₂-Bewältigung, von Industrieschornsteinen bis zur offenen Atmosphäre, weshalb dieses Anwendungsfeld weiterhin der heißeste Fokus der MOF-Forschung und -Kommerzialisierung bleibt.

Wasserstoffspeicherung und saubere Energie

Wenn MOFs helfen können, Kohlenstoff aus unseren aktuellen Energiesystemen zu entfernen, sind sie auch bereit, saubere Energieträger wie Wasserstoff in Zukunft zu ermöglichen. Wasserstoff (H₂) ist ein vielversprechender, kohlenstofffreier Brennstoff (bei der Verbrennung entsteht nur Wasser), aber die effiziente Speicherung von Wasserstoff ist eine große Herausforderung – H₂ ist ein sehr niedrigdichtes Gas, und das Komprimieren oder Verflüssigen ist energieintensiv und erfordert schwere Tanks. MOFs bieten eine Möglichkeit, Wasserstoff in kompakter, sicherer Form durch Adsorption zu speichern. Im Wesentlichen kann Wasserstoffgas mit hoher Dichte (insbesondere bei niedrigen Temperaturen) in die Poren eines MOFs geladen werden – wie Eier in eine Eierkiste – und bei Bedarf wieder freigesetzt werden. Das US-Energieministerium und andere haben Ziele für Wasserstoffspeichermaterialien (bezüglich Gewichtsprozent und Volumen des gespeicherten H₂) festgelegt, und bestimmte MOFs haben diese Ziele bei kryogenen Temperaturen fast erreicht oder sogar übertroffen.

In Europa wird derzeit eine konzertierte Anstrengung unternommen, MOFs für die Wasserstoffspeicherung zu nutzen. Das von der EU finanzierte MOST-H2-Projekt (gestartet 2022) entwickelt kryo-adsorptive Wasserstoffspeichersysteme unter Verwendung fortschrittlicher MOFs cordis.europa.eu. Bei der Kryo-Adsorption wird Wasserstoffgas abgekühlt (typischerweise auf den Bereich von flüssigem Stickstoff, ~77 K) und auf ein poröses Material adsorbiert, wodurch eine hohe Dichte ohne extremen Druck erreicht wird. Die „Geheimwaffe des Projekts ist eine spezielle Klasse poröser kristalliner Materialien, die MOFs genannt werden“, die sie zu monolithischen MOF-Adsorbentien mit einer optimalen Kombination aus volumetrischer und gravimetrischer Kapazität cordis.europa.eu formen. Bis 2025 berichteten die MOST-H2-Forscher von „signifikantem Fortschritt“ – sie kombinierten KI-gestütztes Screening mit Experimenten, um neue MOF-Verbindungen zu identifizieren, die die allgemein anerkannten Ziele sowohl für gravimetrische als auch für volumetrische Wasserstoffspeicherkapazitäten übertreffen cordis.europa.eu. Diese Durchbrüche wurden durch Patentanmeldungen gesichert cordis.europa.eu, was ihre Neuartigkeit unterstreicht. In der Praxis können die MOF-Prototypen des Teams Wasserstoff unter kryogenen Bedingungen dicht speichern, in Materialien, die einfach und sicher zu handhaben sind (keine extrem hohen Drücke) und einen „sehr kleinen ökologischen Fußabdruck“ haben cordis.europa.eu. Das Endziel ist es, diese MOFs in eine vollständige „Lab-to-Tank“-Wasserstoffspeicherlösung zu integrieren, etwa für Anwendungen wie wasserstoffbetriebene Fahrzeuge (das Projekt untersucht Fallstudien für wasserstoffbetriebene Züge in Österreich und Italien) cordis.europa.eu.Ein bemerkenswerter Aspekt dieses Vorhabens ist der Einsatz von maschinellem Lernen zur Beschleunigung der Entdeckung. Das MOST-H2-Projekt entwickelte ein KI-Tool, um vorherzusagen, welche MOF-Strukturen für die Wasserstoffaufnahme optimal wären, und schuf damit eine „robuste Datenbank leistungsstarker Materialien“, die zeigt, wie rechnergestützte Methoden die MOF-Entwicklung verändern können cordis.europa.eu. Durch das virtuelle Screening von über 10.000 MOF-Strukturen und anschließende Labortests der besten Kandidaten konnte das Team mehrere Spitzenreiter identifizieren, die sie umgehend patentierten cordis.europa.eu. Dieser Ansatz reduziert das übliche Trial-and-Error in der Materialforschung erheblich. Dadurch sind die MOFs des Projekts auf dem besten Weg, die strengen Speicherziele für praktische Kraftstofftanks zu erreichen oder zu übertreffen – und das bei gleichzeitiger Kosten- und Zyklenstabilität cordis.europa.eu. Das MOF-basierte Tankdesign wird zudem mit fortschrittlicher Wärme- und Stofftransportmodellierung sowie Lebenszyklusanalyse optimiert, um sicherzustellen, dass es skaliert und in reale Fahrzeuge integriert werden kann cordis.europa.eu.

Über dieses Projekt hinaus haben andere Forscher MOFs mit bemerkenswerter Wasserstoffaufnahme demonstriert. Zum Beispiel kann MOF-74 (ein bekanntes Gerüst) mehr Wasserstoff aufnehmen als jeder unkomprimierte Tank bei 77 K, was auf das Potenzial von MOFs hinweist, den Engpass bei der Wasserstoffspeicherung zu beseitigen innovations-report.com. Die allgemeine Strategie ist der Betrieb nahe kryogener Temperaturen – was energieintensiv klingt, aber durch clevere Isolierung oder die Nutzung von „kostenloser“ Kühlung durch verdampfenden flüssigen Wasserstoff praktikabel gemacht werden kann. Der Gewinn wären leichte, hochkapazitive Wasserstofftanks für Brennstoffzellenautos, Busse oder Flugzeuge, die keine 700-bar-Kompression oder extrem schwere Behälter benötigen. Solche Tanks könnten „Festkörper“-Wasserstoffbatterien sein, bei denen MOF-Granulat Wasserstoff sicher bei moderatem Druck speichert. Forscher untersuchen auch MOFs für die Wasserstoffspeicherung bei Raumtemperatur, obwohl bisher noch kein Material alle DOE-Ziele unter Umgebungsbedingungen erfüllt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass MOFs an vorderster Front bei der Lösung des Speicherproblems von Wasserstoff stehen. Sie wirken wie Nano-Schwämme, die Wasserstoffmoleküle durch Adsorption dicht packen, sodass mehr Wasserstoff in ein gegebenes Volumen bei einem bestimmten Druck passt. Aktuelle MOFs in Kombination mit kryogener Kühlung haben rekordverdächtige Kapazitäten gezeigt – in einigen Fällen übertreffen sie das, was flüssiger Wasserstoff pro Volumen erreichen kann – was es wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen ermöglichen könnte, mit einer Tankfüllung weiter zu fahren und schneller zu tanken. Angesichts des weltweiten Interesses an Wasserstoff als sauberem Energieträger (für Transport, Netzspeicherung und Industrie) sind Fortschritte wie MOF-basierte Tanks entscheidend. Die Tatsache, dass Patente angemeldet und mehrjährige Projekte in der EU und anderswo finanziert werden, signalisiert das Vertrauen, dass MOFs eine Schlüsselrolle in der Wasserstoffwirtschaft spielen werden. Wie es in einem EU-Bericht heißt, versprechen diese innovativen Materialien „günstige, effiziente und umweltfreundliche Wasserstoffspeicherlösungen“ für die Klimaziele Europas cordis.europa.eu – eine Aussage, die weltweit Anklang findet, da Nationen in H₂-Infrastruktur investieren.

Arzneimittelabgabe und biomedizinische Anwendungen

MOFs sind nicht nur für Energie und Umwelt relevant – sie sorgen auch in der Biomedizin als neuartige Systeme zur Arzneimittelabgabe und als Bildgebungsmittel für Aufsehen. Im pharmazeutischen Kontext können MOFs als nanoskalige Träger für therapeutische Moleküle dienen. Die Idee ist, dass ein Medikament (das ein kleines Molekül, ein Protein oder sogar eine Nukleinsäure sein kann) in die Poren des MOFs geladen und dann durch den Körper transportiert wird, geschützt durch den MOF-Käfig. Das poröse Gerüst kann das Medikament manchmal vor vorzeitigem Abbau schützen, die Freisetzung gezielt an einen bestimmten Ort steuern oder eine langsame, kontrollierte Freisetzung über die Zeit ermöglichen. MOFs können sogar so konstruiert werden, dass sie auf Reize (wie pH-Wert oder Licht) reagieren, um die Freisetzung des Medikaments auf Befehl auszulösen jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Dies ist ein aufstrebendes Forschungsfeld in der Nanomedizin.

Ein Vorteil von MOFs ist ihre hohe Beladungskapazität – aufgrund ihrer enormen Oberfläche können sie im Verhältnis zu ihrem Gewicht viele Wirkstoffe transportieren. Außerdem können viele MOFs aus biokompatiblen Komponenten hergestellt werden (z. B. Zink- oder Eisenknoten mit essbaren organischen Säuren), was bedeutet, dass sie im Körper zu ungiftigen Nebenprodukten abgebaut werden können cas.org. Tatsächlich sind einige MOFs biofreundlich und biologisch abbaubar, was sie für den Einsatz in lebenden Organismen attraktiv macht cas.org. Forscher haben den Begriff „Nano-MOFs“ für sehr kleine MOF-Partikel (typischerweise 50–200 Nanometer) geprägt, die für die Injektion in den Blutkreislauf oder die zelluläre Verabreichung entwickelt wurden axial.acs.org. Einige dieser Nano-MOFs haben es bis in die klinischen Studien für Krebstherapien geschafft axial.acs.org – zum Beispiel als Träger für Chemotherapeutika oder zur Verbesserung der Strahlenbehandlung. Dies zeigt das echte Potenzial von MOFs als Plattform in der Medizin.Eine aktuelle Studie aus dem Jahr 2024 zeigte, wie einfache chemische Modifikationen die Leistungsfähigkeit eines MOFs bei der Arzneimittelabgabe verbessern können. Wissenschaftler der University of Miami nahmen ein bekanntes MOF namens MIL-101(Cr) (ein chrombasiertes Gerüst mit großen Poren) und „blähten es effektiv auf“ durch einen zusätzlichen Syntheseschritt acs.org. Sie behandelten die MOF-Kristalle mit etwas Essigsäure (essigähnlich), um die Porengröße von etwa 2,5 nm auf 5 nm zu erweitern, wodurch die innere Oberfläche vergrößert wurde acs.org. Diese „pore-expanded“ MOF-Partikel wurden dann mit zwei Modellwirkstoffen beladen – Ibuprofen (ein Entzündungshemmer) und 5-Fluorouracil (ein Chemotherapeutikum) – um Kapazität und Freisetzungs-Kinetik zu testen. Die Ergebnisse waren beeindruckend: „Die aufgeblähten MOFs enthielten mehr Ibuprofen oder Chemotherapeutikum im Vergleich zur Originalversion und zeigten eine verbesserte Leistung als potenzielles Arzneimittelabgabesystem.“ acs.org Da die Poren größer waren, konnten mehr Arzneimittelmoleküle hineinpassen, und tatsächlich absorbierte das modifizierte MOF eine größere Menge beider Wirkstoffe als das unmodifizierte MIL-101 acs.org. Außerdem setzten die MOFs mit erweiterten Poren in Freisetzungsexperimenten die Wirkstoffe deutlich schneller frei als das Original, da die größeren Öffnungen als breite „Türen“ für den Austritt der Moleküle fungierten acs.org. Eine schnellere Freisetzung könnte vorteilhaft sein, um schnell therapeutische Spiegel zu erreichen, während eine kontrollierte, langsame Freisetzung durch andere Modifikationen erzielt werden könnte. Die Forscher sehen diese einfache Säurebehandlung als eine Möglichkeit, die Freisetzungsprofile von MOFs anzupassen für verschiedene Anforderungen acs.org. Wie sie anmerken, „könnten einfache Änderungen wie diese die Wirksamkeit von MOFs in zukünftigen Anwendungen zur Arzneimittelabgabe maximieren“, und laufende Arbeiten untersuchen, wie man eine langsame, anhaltende Freisetzung über bestimmte Zeiträume durch maßgeschneiderte Porenstrukturen erreichen kann acs.org.Dies ist nur ein Beispiel von vielen. Andere Studien haben gezeigt, dass MOFs Kombinationen von Medikamenten transportieren, empfindliche Biomoleküle wie Proteine oder RNA schützen und sogar gezielte Abgabe an Tumore ermöglichen können (indem Targeting-Liganden an das MOF angehängt werden). Da man Metallzentren beliebig kombinieren kann, haben Forscher herausgefunden, dass die Wahl des Metalls die Freisetzungsraten beeinflussen kann – so fand eine Studie heraus, dass MOFs aus Magnesium ein Testmedikament schneller freisetzten als solche aus Zirkonium, was darauf hindeutet, dass besser lösliche Metallknoten zu einem schnelleren Abbau des Gerüsts und einer schnelleren Freisetzung des Medikaments führen axial.acs.org. Solche Erkenntnisse leiten das Design von MOFs für „bedarfsgerechte“ Medikamentenfreisetzung und Theranostik (Therapie + Diagnostik). Bemerkenswert ist, dass MOFs auch als Kontrastmittel oder Bildgebungssonden dienen können; einige enthalten lumineszierende Lanthanoide oder radioaktive Isotope zur Nachverfolgung, andere verstärken MRT-Signale. Die lumineszierenden Eigenschaften bestimmter MOFs haben sogar Biosensoren ermöglicht, die Biomarker oder Umweltgifte durch eine Fluoreszenzänderung nachweisen können cas.org – was die Grenze zwischen Medikamentenabgabe und Sensorik verschwimmen lässt.

Entscheidend ist, dass frühe Sicherheitsstudien darauf hindeuten, dass richtig formulierte MOFs im Körper nicht toxisch und biologisch abbaubar sein können cas.org. Beispielsweise können MOFs aus Eisen oder Zink mit lebensmitteltauglichen Linkern zu Nährstoffen abgebaut oder ausgeschieden werden. Diese Biokompatibilität, kombiniert mit hoher Ladungskapazität und Vielseitigkeit, hat Experten dazu veranlasst, MOFs als „vielversprechende neue Klasse intelligenter Medikamententräger“ zu bezeichnen pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Während noch kein MOF-basiertes Medikament auf dem Markt ist, deuten die laufenden klinischen Studien darauf hin, dass es nur eine Frage der Zeit ist. In naher Zukunft könnten MOF-Nanopartikel Chemotherapie gezielter an Krebszellen abgeben und so Nebenwirkungen reduzieren oder als „Nano-Gegengifte“ wirken, die giftige Substanzen im Körper aufnehmen. Die Forschung ist sehr dynamisch – eine Übersicht zählte Dutzende MOF-Medikamentenabgabesysteme für Krebs, HIV, Diabetes und mehr, die derzeit untersucht werden pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Wenn diese Bemühungen erfolgreich sind, könnten MOFs eine neue Ära der Präzisionsmedizin einläuten, in der es bei der Behandlung nicht nur um das Medikamentenmolekül, sondern auch um das intelligente Transportvehikel geht, das es trägt.

Sensoren und Detektion

Dank ihrer einstellbaren Chemie und oft inhärenten Lumineszenz haben sich MOFs als leistungsstarke Komponenten in chemischen Sensoren etabliert. Eine winzige Veränderung in der Struktur eines MOFs – zum Beispiel das Binden eines Gastes oder die Übertragung eines Elektrons – kann sich in ein nachweisbares optisches oder elektrisches Signal übersetzen. Das macht MOFs hervorragend geeignet für das Erkennen von Spurenstoffen in der Umwelt, in Lebensmitteln oder sogar im menschlichen Körper. Forscher haben MOF-basierte Sensoren für eine Vielzahl von Zielstoffen entwickelt: Schwermetallionen, Sprengstoffe (wie TNT-Dämpfe), gefährliche Industriegase und Biomarker für Krankheiten, um nur einige zu nennen sciencedirect.com, pubs.rsc.org.

Ein beliebter Ansatz sind lumineszierende MOFs (oft LMOFs genannt). Das sind MOFs, die entweder von Natur aus fluoreszieren oder phosphoreszieren, oder mit fluoreszierenden Molekülen/Metallionen dotiert sind. Wenn ein Ziel-Analyte in die Poren des MOFs gelangt, kann dies die Lumineszenz verändern – etwa indem sie ausgelöscht, verstärkt oder ihre Farbe verschoben wird. Bestimmte MOFs mit Lanthanid-Metallen beispielsweise senden ein helles Signal aus, das selektiv durch bestimmte Chemikalien ausgelöscht werden kann, was die Detektion dieser Chemikalien in sehr niedrigen Konzentrationen ermöglicht pubs.rsc.org. Es gibt MOFs, die als Einschalt-Sensoren für Metallionen wie Aluminium fungieren (sie leuchten nur, wenn das Ion bindet) pubs.acs.org, oder als farbwechselnde Sensoren für pH-Wert oder Sauerstoff. Da MOFs eine modulare Struktur besitzen, können Sensorentwickler Erkennungsstellen direkt in das Gerüst einbauen. Man stelle sich ein MOF vor, das Bindungstaschen hat, die perfekt auf ein Schadstoffmolekül zugeschnitten sind – wenn der Schadstoff eingefangen wird, löst er einen Elektronen- oder Energietransfer aus, der die Fluoreszenz des MOFs abschwächt oder die Farbe verändert. Solche Spezifität ist in der Sensorik sehr geschätzt.

Ein entscheidender Vorteil von MOF-Sensoren ist, dass sie sehr empfindlich und selektiv sein können und dabei stabil bleiben. MOFs können oft in unterschiedlichen Umgebungen arbeiten (einige sind wasserstabil, für die aquatische Sensorik). Forscher haben sogar MOF-basierte Sensoren entwickelt, die Biomarker in komplexen Flüssigkeiten wie Urin oder Blut erkennen können, indem sie das Ziel in einem Schritt filtern und einfangen sciencedirect.com. Ein weiteres spannendes Feld sind elektrochemische MOF-Sensoren: Leitfähige MOFs oder Komposite können eine elektrische Stromantwort erzeugen, wenn ein Gas oder Dampf adsorbiert wird, und wirken wie eine neue Art „elektronische Nase“ orcasia.org.

Wichtig ist, dass viele MOFs aus relativ unbedenklichen Komponenten bestehen, sodass ihr Einsatz in Verbraucher- oder biomedizinischen Sensoren möglich ist. Ein CAS-Analyst merkte an, dass MOFs großartige Biosensoren sein können, da einige „niedrig toxisch und biologisch abbaubar“ sind, insbesondere jene, die bei der lumineszenzbasierten Detektion verwendet werden cas.org. Das bedeutet, dass eine mit MOF beschichtete Sonde eines Tages in vivo (im Körperinneren) zur Überwachung von Zuständen eingesetzt werden könnte oder MOF-Partikel Teil eines diagnostischen Tests sein könnten, der sich nach der Anwendung sicher auflöst. Bereits jetzt wurden MOF-Sensoren für Dinge wie toxische Schwermetalle im Wasser getestet (wobei das MOF bei Anwesenheit von Quecksilber oder Blei fluoresziert) pubs.acs.org, Lebensmittelkontaminanten (Pestizide oder Antibiotika, die eine Änderung der Emission des MOFs verursachen) sciencedirect.com, und sogar als tragbare Sensoren für die Atemanalyse.

Ein Beispiel in der Entwicklung ist ein MOF-basiertes Sensorarray zur Detektion von Sprengstoffen und chemischen Kampfstoffen. Durch den Einsatz mehrerer MOFs, die jeweils auf unterschiedliche chemische Strukturen abgestimmt sind, kann ein Array einen einzigartigen Fingerabdruck für eine bestimmte Substanz erzeugen (ähnlich wie unsere Nase Gerüche unterscheidet). Ein weiteres Beispiel: Forscher entwickelten einen lumineszenten MOF-Sensor, der verdorbene Lebensmittel schnell erkennen kann, indem er Amindämpfe aus dem Fleischabbau detektiert und eine Farbänderung als Indikator liefert sciencedirect.com. Diese kreativen Lösungen zeigen, wie MOFs zur öffentlichen Gesundheit und Sicherheit beitragen können.

Kurz gesagt, bringen MOFs hohe Empfindlichkeit, Anpassungsfähigkeit und Stabilität in die Sensortechnologie. Sie können Moleküle in einigen Fällen auf Teile-pro-Milliarde-Niveau nachweisen, und ihre Reaktion kann so gestaltet werden, dass sie leicht ablesbar ist (eine für das Auge sichtbare Farbänderung oder eine Änderung von Strom/Spannung für die elektronische Auswertung). Da die Standards für Umweltüberwachung und Lebensmittelsicherheit strenger werden, könnten MOF-Sensoren aufgrund ihrer Kombination aus Präzision und Praktikabilität weit verbreitet eingesetzt werden. Die Tatsache, dass MOFs zu Dünnschichten oder Pulvern verarbeitet werden können, die Geräte beschichten, bedeutet, dass die Integration in Sensorhardware durchaus machbar ist. Unternehmen und Forschungslabore weltweit patentieren aktiv MOF-Sensordesigns cas.org cas.org, was darauf hindeutet, dass wir bald kommerzielle Sensorprodukte sehen könnten, die MOF-Technologie nutzen – von intelligenten Küchensensoren, die Verderb erkennen, bis hin zu tragbaren Detektoren für Luftqualität und Sicherheitsbedrohungen. Dies ist ein lebendiger Bereich, in dem Chemie und Ingenieurwesen aufeinandertreffen, und MOFs stehen an der Spitze, wenn es darum geht, unsere Welt in feinen Details messbar und erfassbar zu machen.

Wassergewinnung und saubere Wassertechnologien

Vielleicht eine der futuristischsten Anwendungen von MOFs – und doch bereits im echten Leben demonstriert – ist das Gewinnen von trinkbarem Wasser aus der Luft. Die Gewinnung von Wasser aus der Atmosphäre ist eine Technologie, die darauf abzielt, Feuchtigkeit aus der Luft zu extrahieren (selbst in trockenen Wüstenklimata), um Frischwasser bereitzustellen. Herkömmliche Luftentfeuchter oder Nebelnetze benötigen relativ feuchte Luft oder viel Energie. Aber MOFs haben die Fähigkeit gezeigt, Wasser selbst aus extrem trockener Luft (bis zu 10–20 % relativer Luftfeuchtigkeit) zu gewinnen und es dann mit minimalem Energieaufwand freizusetzen, was sie ideal für netzunabhängige Wassererzeuger in dürregeplagten Regionen macht.

Das Konzept wurde von Professor Omar Yaghi (dem Erfinder der MOFs) und seinen Kollegen entwickelt. 2017 berichteten sie erstmals über ein MOF (MOF-801), das Wasser aus Wüstenluft nur mit Sonnenlicht als Energiequelle gewinnen konnte. Im Jahr 2023 hat sich die Technologie rasant weiterentwickelt. Forscher der UC Berkeley stellten ein tragbares Wassergewinnungsgerät mit MOFs vor, das im Death Valley getestet wurde – einem der trockensten und heißesten Orte der Erde. Das Gerät, etwa so groß wie ein kleiner Rucksack und vollständig mit Sonnenlicht betrieben, durchlief wiederholt Zyklen, um nachts Wasser zu gewinnen und es tagsüber als Flüssigkeit freizusetzen. „Diese Tests zeigten, dass das Gerät überall sauberes Wasser bereitstellen kann“, berichtete das Team und bezeichnete es als dringende Lösung, da „der Klimawandel die Dürrebedingungen verschärft.“ cdss.berkeley.edu Der MOF-basierte Wassergewinner konnte Feuchtigkeit aus Luft mit nur 10 % Luftfeuchtigkeit ziehen und bis zu 285 Gramm Wasser pro Kilogramm MOF pro Tag im Feld produzieren cdss.berkeley.edu. (~285 g entspricht etwa einer Tasse Wasser; Labortests unter Idealbedingungen ergeben sogar noch mehr.) Beeindruckend ist, dass dies mit keinerlei externer Energie außer Sonnenlicht geschah, was bedeutet, dass null Treibhausgasemissionen oder Strom benötigt wurden cdss.berkeley.edu. Dies ist möglich, weil das MOF zunächst Wasserdampf aus der kühlen Nachtluft adsorbiert; dann erwärmt die Sonne am Tag das MOF, wodurch es das Wasser als Dampf freisetzt, das in einem Sammler zu Flüssigkeit kondensiert. Das MOF kann viele Zyklen ohne Leistungsverlust durchlaufen und kann einfach durch Trocknen regeneriert werden, was es zu einem robusten Wasserschwamm für den Langzeiteinsatz macht cdss.berkeley.edu.

Das in dem neuesten Gerät verwendete MOF ist ein aluminium-basiertes Gerüst (genannt MOF-303), das eine starke Affinität zu Wasser besitzt, es aber auch bei moderaten Temperaturen (~80 °C) wieder abgibt. Dieses MOF wurde aufgrund seiner außergewöhnlichen Leistung ausgewählt: Es kann selbst unter extrem trockenen Bedingungen Wasser gewinnen und ist über Tausende von Zyklen stabil businesswire.com. Tatsächlich wurde MOF-303 erfolgreich im Death Valley getestet, was seine praktische Anwendbarkeit in extremen Umgebungen bestätigt businesswire.com. Während der Tests erreichte das Gerät eine Wasserrückgewinnung von etwa 85–90 % des adsorbierten Wassers in jedem Zyklus cdss.berkeley.edu, was bedeutet, dass nur sehr wenig der aufgenommenen Feuchtigkeit verloren ging. Dr. Yaghi, der die im Nature Water (Juli 2023) veröffentlichte Studie leitete, betonte die Bedeutung: „Fast ein Drittel der Weltbevölkerung lebt in wasserarmen Regionen. Die UN prognostiziert, dass bis 2050 fast 5 Milliarden Menschen unter Wasserknappheit leiden werden… Das ist sehr relevant, um eine neue Wasserquelle zu erschließen.“ cdss.berkeley.edu Durch die Nutzung des riesigen Wasservorrats in der Atmosphäre (selbst in Wüsten ist etwas Feuchtigkeit in der Luft vorhanden), bieten MOF-Geräte eine verlockende neue Wasserquelle, die dezentral und nachhaltig ist. Im Gegensatz zu großen Entsalzungsanlagen (die Strom und Meerwasser benötigen), kann ein MOF-Wassergewinner ein persönliches oder dorfweites Gerät sein, das überall funktioniert, wo es Luft und Sonnenlicht gibt.

Kommerzielle Bemühungen sind nun im Gange, um MOF-Wassergewinnungsanlagen im großen Maßstab einzusetzen. Mehrere Start-ups, oft in Zusammenarbeit mit Universitäten, treiben die Technologie voran. Laut einem aktuellen Marktbericht nutzen Unternehmen wie Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule und Transaera die überlegenen Wasseradsorptionseigenschaften von MOFs, um Kühl- und Wassersysteme der nächsten Generation zu entwickeln businesswire.com. Diese Systeme können Berichten zufolge bis zu 0,7 Liter Wasser pro Kilogramm MOF pro Tag selbst unter trockenen Bedingungen erzeugen businesswire.com – etwa doppelt so viel wie die ersten Prototypen – dank verbesserter Materialien und Designs. Transaera beispielsweise integriert MOFs in ultra-effiziente Klimaanlagen, die nicht nur die Luft kühlen, sondern auch zusätzlich Wasser sammeln (Transaera war Finalist beim Global Cooling Prize). Ein weiteres Projekt von AQUAml (in Verbindung mit dem MIT) verwendet MOFs für persönliche Wasserflaschen, die sich aus der Luftfeuchtigkeit nachfüllen. Die Tatsache, dass MOFs auch bei niedriger Luftfeuchtigkeit funktionieren, bedeutet zudem, dass sie für passive Entfeuchtung in HLK-Systemen eingesetzt werden können, wodurch das Kühlen effizienter wird, indem die Luft ohne Kondensationsspulen getrocknet wird cas.org.

Der MOF-Wassergewinner ist ein Paradebeispiel dafür, wie diese Materialien humanitäre Bedürfnisse und Klimaanpassung adressieren können. In Gebieten mit kontaminierten Wasserquellen könnten MOF-Geräte mit minimaler Infrastruktur sicheres Trinkwasser bereitstellen. Sie lassen sich auch modular skalieren – man könnte Hunderte von MOF-Einheiten für eine Gemeinschaft einsetzen oder eine einzelne Einheit für eine Familie. Forscher stellen sich sogar selbstauffüllende Wasserflaschen für Wanderer und Wassergeneratoren für Truppen im Einsatz vor, die alle von MOFs und Sonnenlicht betrieben werden. Während Kosten und Produktionsskalierung die nächsten Hürden sind, sind die bisherigen Fortschritte äußerst vielversprechend. Wie ein Artikel treffend bemerkte, lassen MOFs, die Wasser-aus-Luft-Geräte ermöglichen, es wie „Chemie an der Grenze zur Magie“ erscheinen, wenn etwas so Unstoffliches wie Luft in eine der wichtigsten Ressourcen des Lebens verwandelt wird. Da der Klimawandel Dürren häufiger macht, könnten solche Technologien bahnbrechend für die Wassersicherheit sein und eine inspirierende Anwendung fortschrittlicher Materialien für das Gemeinwohl darstellen.

Weitere aufkommende Anwendungen (Katalyse, Batterien und mehr)

Jenseits der oben genannten Hauptanwendungen zeigen MOFs ihre Vielseitigkeit in vielen anderen Bereichen. Ihre große Oberfläche, Anpassungsfähigkeit und die Fähigkeit, aktive Metalle oder funktionelle Gruppen einzubauen, machen sie ideal für die Katalyse – die Beschleunigung chemischer Reaktionen. MOFs können selbst als Katalysatoren dienen oder als Vorläufer für katalytische Materialien. Zum Beispiel wurden MOFs mit offenen Metallzentren zur Katalyse der Umwandlung von CO₂ in Kraftstoffe eingesetzt, und aus MOFs abgeleitete Materialien (wie Kohlenstoffgerüste, die Metall aus einem MOF enthalten) haben eine hervorragende Leistung in der Elektrokatalyse gezeigt (z. B. für die Sauerstoffreduktion in Brennstoffzellen) cas.org. Eine Studie ergab, dass aus einem MOF abgeleitete, stickstoffdotierte Kohlenstoffnanoröhren eine „verbesserte elektrokatalytische Aktivität und Stabilität“ für die Wasserelektrolyse im Vergleich zu Standardkatalysatoren aufwiesen cas.org. Die Möglichkeit, die atomare Struktur eines Katalysators über MOFs zu gestalten (manchmal als „Nano-Casting“ bezeichnet), ist in der grünen Chemie und in industriellen Prozessen sehr attraktiv.

MOFs werden auch in Energiespeichergeräten erforscht. Forscher testen MOFs als Elektrodenmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien, wobei die poröse Struktur Lithiumionen aufnehmen und möglicherweise die Kapazität oder die Ladegeschwindigkeit verbessern kann cas.org. Einige MOFs (oder deren Derivate) wurden als Superkondensatormaterialien für die schnelle Energiespeicherung untersucht cas.org. Während die meisten MOFs isolierend sind, ist eine neue Unterklasse von leitfähigen MOFs entstanden, die Elektronen transportieren können und möglicherweise in Elektronik oder Sensoren eingesetzt werden. Es werden sogar MOFs mit intrinsischen magnetischen oder ferroelektrischen Eigenschaften für fortschrittliche Funktionsgeräte erforscht.

Ein weiteres Innovationsfeld für MOFs ist die Gastrennung und -reinigung in der chemischen Industrie. Wir haben die CO₂-Abscheidung angesprochen, aber MOFs können auch andere schwierige Trennungen ermöglichen – zum Beispiel die Isolierung von Propylen aus Propan (ein entscheidender Schritt in der Kunststoffherstellung) oder das Entfernen von Verunreinigungen aus Erdgas. Unternehmen wie UniSieve haben MOF-basierte Membranen entwickelt, die wie molekulare Siebe wirken und energieeffiziente Trennungen ermöglichen. In einem Fall konnte eine MOF-Membran Propylen mit einer Reinheit von 99,5 % von Propan trennen businesswire.com und bietet damit eine potenzielle energiearme Alternative zur Destillation (die normalerweise enorme Energiemengen für solche Trennungen benötigt). Ähnlich werden MOF-Filter für das Recycling von Kältemitteln, die Reinigung von Industriesolventen und sogar die Sanierung von Atommüll (Einfangen von radioaktivem Iod oder Xenon) erforscht.

Im Bereich der Elektronik und Sensorik haben Forscher MOF-basierte Dünnschichten entwickelt, die selektiv für bestimmte Gase sind – mit dem Potenzial, neue Arten von Gassensoren oder sogar Brennstoffzellenmembranen zu schaffen. Umweltsanierung ist ein weiteres Spezialgebiet – MOFs können Schadstoffe wie PFAS („Ewigkeitschemikalien“) aus Wasser aufnehmen, da ihre Adsorption einstellbar ist, und einige photokatalytische MOFs können organische Schadstoffe unter Lichteinwirkung abbauen.

Schließlich haben MOFs einige originelle, aber faszinierende potenzielle Anwendungen: Wie wäre es mit MOF-Stoffen, die Gerüche oder chemische Stoffe absorbieren (für Schutzkleidung)? Oder MOF-Beschichtungen in Kühlschränken, um Ethylen zu absorbieren und Lebensmittel länger frisch zu halten? All diese Ideen werden derzeit getestet. Letztlich stellen MOFs ein Plattformmaterial dar: So wie Polymere oder Silizium unzählige Anwendungen fanden, sind MOFs ein Schweizer Taschenmesser in der Materialwelt. Wie es eine Marktanalyse ausdrückte: „Die außergewöhnlichen Eigenschaften von MOFs – darunter rekordverdächtige Oberflächen, einstellbare Poren und anpassbare Chemie – ermöglichen Lösungen für einige der dringendsten Herausforderungen der Gesellschaft.“ businesswire.com Von sauberer Luft und Wasser bis hin zu sauberer Energie und Gesundheit – MOFs hinterlassen ihre Spuren bei einer Vielzahl von Innovationen.

Globale Landschaft: Forschung, Patente und Kommerzialisierung weltweit

Die Begeisterung für MOFs ist wirklich global. Nach den ersten Durchbrüchen in den USA (Professor Yaghis Arbeit an der UC Berkeley und UCLA) und Japan (Professor Susumu Kitagawas unabhängige MOF-Entdeckungen in Kyoto) verbreitete sich die Forschung rasch über Nordamerika, Europa, Asien und darüber hinaus. Die Vereinigten Staaten bleiben ein Kraftzentrum der MOF-Innovation, mit führenden Universitäten (Berkeley, MIT, Northwestern usw.), nationalen Laboren und Unternehmen, die die Grenzen des Machbaren verschieben. Mehrere US-Startups, oft aus akademischen Laboren ausgegründet, kommerzialisieren MOFs: NuMat Technologies (Illinois) konzentriert sich auf die Gasspeicherung und hat sogar mit MOFs ausgestattete Gaszylinder (den ION-X) verkauft, die giftige Gase für die Halbleiterindustrie auf sicherere, unteratmosphärische Weise speichern businesswire.com. NuMat berichtet außerdem über eine Produktionskapazität von etwa 300 Tonnen MOFs pro Jahr an seinen Standorten businesswire.com. Mosaic Materials in Kalifornien (zuvor erwähnt für CO₂-Abscheidung) und Transaera (Massachusetts, für Kühlung) sind weitere bemerkenswerte US-Unternehmen. Der Industriegigant BASF in Deutschland war eines der ersten Unternehmen, das massiv in MOFs investierte; es hat die MOF-Produktion in den 2010er Jahren hochskaliert (Produktion eines kupferbasierten MOFs in Tonnenmengen) und verfügt nun über eine mehrhunderttonnige Jahreskapazität in Ludwigshafen businesswire.com. Das MOF von BASF (unter dem Namen Basolite verkauft) wird sogar in einigen kommerziellen Produkten verwendet, wie z. B. in hochwertigen, energieeffizienten Isoliergläsern und chemischen Filtern. Europa verfügt über ein starkes akademisches Netzwerk zu MOFs (z. B. veranstaltet die EU Konferenzen wie EuroMOF), und die Europäische Union hat Projekte wie MOST-H2 (Wasserstoffspeicherung) und AMADEUS (Ammoniakspeicherung mit MOFs) finanziert, um die angewandte Forschung zu beschleunigen.

China hat sich im letzten Jahrzehnt als produktiver Beitragender zur MOF-Wissenschaft etabliert. Tatsächlich machen chinesische Forscher laut Publikationsmetriken einen großen Anteil der neuen MOF-Fachartikel und Patente aus – in Bereichen von Kohlenstoffabscheidung bis hin zur Medikamentenfreisetzung. Eine bibliometrische Studie stellte fest, dass „China bedeutende Beiträge geleistet hat und eine führende Position bei MOFs in der Krebsforschung einnimmt“ pmc.ncbi.nlm.nih.gov, um nur ein Beispiel zu nennen. Bedeutende chinesische Institutionen wie die Jilin-Universität, die Nankai-Universität und die Chinesische Akademie der Wissenschaften haben eigene MOF-Zentren, die alles von MOF-basierten Batterien bis hin zu CO₂-zu-Kraftstoff-Katalysatoren erforschen. Das Bestreben der chinesischen Regierung, bis 2060 Kohlenstoffneutralität zu erreichen, hat das Interesse an MOFs für Dekarbonisierungstechnologien verstärkt. Während China vielleicht noch nicht so viele weltweit bekannte MOF-Start-ups hat, besteht eine starke Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft. Bemerkenswert ist, dass China führend ist bei MOF-basierter Methanspeicherung für Fahrzeuge (ein Bereich, in dem adsorbensgefüllte Tanks es Erdgasfahrzeugen ermöglichen könnten, mehr Kraftstoff bei geringerem Druck zu speichern) und MOFs für die Abscheidung industrieller Emissionen im Rahmen seiner nationalen CCUS-Programme erforscht.

Auch andere Regionen sind aktiv: Japan trägt weiterhin bei (mit Forschung von Pionieren wie Kitagawa und neuerer Arbeit zu leitfähigen MOFs), Südkorea hat Unternehmen wie framergy (das mit internationalen Gruppen zur Kommerzialisierung von MOFs zusammenarbeitet), und Australien beherbergt das ARC Centre of Excellence in Exciton Science, das MOFs für Sensorik und Photokatalyse untersucht. Im Nahen Osten ist Saudi-Arabiens KAUST ein Zentrum der MOF-Forschung (sie haben, wie erwähnt, Patente zur MOF-Kohlenstoffabscheidung angemeldet) cas.org, und Länder wie die Vereinigten Arabischen Emirate und Katar interessieren sich für MOFs zur Meerwasserentsalzung und Gastrennung, was ihren Bedürfnissen entspricht.

Wichtig ist, dass die Entwicklung von MOFs nicht mehr nur auf das Labor beschränkt ist. Patente und kommerzielle Produkte nehmen zu. Eine Analyse des Chemical Abstracts Service Ende 2024 zeigte, dass zwar die MOF-Veröffentlichungen stark zugenommen haben, „das Wachstum der Patentveröffentlichungen jedoch darauf hindeutet, dass eine breitere Kommerzialisierung dieser Technologie bevorsteht.“ cas.org Besonders CAS verzeichnete erhebliche Patentaktivitäten in dekarbonisierungsbezogenen Anwendungen (CO₂-Abscheidung, Energie, Gasspeicherung) und auch in Bereichen wie sauberes Wasser und Sensoren cas.org. Dies zeigt, dass Unternehmen und Institute MOF-basierte Innovationen schützen, während sie sich auf den Einsatz in der realen Welt vorbereiten. Im Jahr 2024 waren nur wenige MOF-basierte Produkte vollständig kommerzialisiert businesswire.com – Beispiele sind Svantes CO₂-Filter, NuMats Gasbehälter, einige Nischen-Luftreinigungsgeräte und eine Reihe von MOF-basierten Feuchtigkeitsregulierungsbeuteln. Aber wir scheinen an einem Wendepunkt zu stehen. „Der globale MOF-Markt befindet sich derzeit in einem entscheidenden Übergang von der akademischen Forschung zur industriellen Anwendung“, stellt ein Bericht von ResearchAndMarkets fest, der prognostiziert, dass die Branche künftig jährlich um etwa 30 % wachsen wird businesswire.com. Bis 2035 könnten MOF-Anwendungen ein Multi-Milliarden-Dollar-Markt sein, insbesondere getrieben durch CO₂-Abscheidung, Wasserstoffspeicherung, Wassergewinnung und chemische Trennungen businesswire.com.

Die Produktionsseite wächst ebenfalls: Etwa 50 Unternehmen weltweit stellen derzeit MOFs her, wobei ein Großteil der Kapazitäten auf wenige Akteure (wie BASF und NuMat) konzentriert ist businesswire.com. Zu den Herausforderungen gehören die Skalierung der Produktion von Laborgramm auf Industrietonnen bei gleichbleibender Qualität und dies auf kosteneffiziente Weise zu erreichen businesswire.com. Erfreulicherweise gibt es Fortschritte – die Kosten sinken, da sich die Verfahren verbessern, und Unternehmen haben kontinuierliche Produktionsmethoden (im Gegensatz zur langsamen Batch-Synthese) entwickelt, um MOFs in größeren Mengen herzustellen businesswire.com. So nutzt beispielsweise Promethean Particles im Vereinigten Königreich einen Durchflussreaktor, um MOFs und andere Nanomaterialien herzustellen, und novoMOF in der Schweiz bietet die Auftragsfertigung von MOFs im großen Maßstab an. Diese Entwicklungen deuten darauf hin, dass, falls eine große Nachfrage (zum Beispiel Tausende Tonnen für CO₂-Abscheidungseinheiten) entsteht, die Angebotsseite bereit sein wird, sie zu bedienen.

Auch internationale Zusammenarbeit ist deutlich sichtbar: Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern verfassen häufig gemeinsam MOF-Fachartikel, und es gibt globale Konferenzen (z. B. MOF2023 in Melbourne, MOF2024 in Vancouver), die die Community zusammenbringen. Dies hilft, Best Practices zu verbreiten und doppelte Arbeit zu vermeiden, angesichts des enormen chemischen Raums der MOFs.

Ausblick: Warum MOFs für eine nachhaltige Zukunft wichtig sind

Wie wir gesehen haben, befinden sich MOFs an der Schnittstelle von fortschrittlicher Materialwissenschaft und praxisnaher Problemlösung. Sie werden oft als „Game-Changer“ für Nachhaltigkeit bezeichnet, weil sie Prozesse ermöglichen, die zuvor undurchführbar oder ineffizient waren. CO₂-Abscheidung ist ein Paradebeispiel – indem sie es weniger energieintensiv machen, CO₂ herauszufiltern, könnten MOFs eine breitere Anwendung der CO₂-Abscheidung in Kraftwerken und Fabriken ermöglichen und so die Treibhausgasemissionen deutlich senken. Saubere Energiespeicherung ist ein weiteres Beispiel: MOFs könnten Wasserstoff (und vielleicht auch andere Gase wie Methan) endlich als saubere Brennstoffe praktikabel machen, indem sie das Speicherproblem lösen. Im Bereich sauberes Wasser erzeugen MOFs buchstäblich Wasser aus Luft oder reinigen Wasser kostengünstig, wodurch sie Knappheit und Verunreinigung ohne große Infrastruktur angehen. Im Bereich Gesundheitswesen bringen MOFs Hoffnung für gezielte Medikamentenabgabe und empfindliche Diagnostik und könnten mit intelligenteren Therapien Leben retten. Und in der industriellen Chemie bieten MOFs energieeffizientere Trenn- und Katalyseprozesse, was den CO₂-Fußabdruck bei der Herstellung alltäglicher Chemikalien senken könnte.

Es ist selten, dass eine Materialklasse so viele Sektoren beeinflusst – und deshalb werden MOFs oft mit „dem nächsten Silizium“ oder „dem nächsten Plastik“ hinsichtlich ihres transformativen Potenzials verglichen. Sie repräsentieren eine neue Art, Materialien von Grund auf mit Präzision zu bauen (weshalb sie auf molekularer Ebene mit LEGO oder Tinkertoys verglichen werden). Dieser retikuläre Designansatz war vor ein paar Jahrzehnten noch größtenteils theoretisch; heute ist er ein praktisches Werkzeug, das von Chemikern und Ingenieuren weltweit genutzt wird.

Experten glauben, dass wir kurz davor stehen, dass MOFs von Labor-Kuriositäten zu allgegenwärtigen Arbeitspferd-Materialien werden, die in verschiedenen Technologien eingebettet sind. „Mit all ihren potenziellen Anwendungen treiben MOFs wichtige Durchbrüche in einigen unserer herausforderndsten wissenschaftlichen Bereiche voran“, schrieb ein Analyst der ACS und fügte hinzu, dass Verbesserungen in KI und maschinellem Lernen das Screening von MOFs beschleunigen, „was bedeutet, dass weitere Fortschritte und kommerzielle Anwendungen möglicherweise kurz bevorstehen.“ cas.org Der Zeitplan für das Eindringen von MOFs in den Markt verkürzt sich bereits: Während der erste MOF 1995 hergestellt wurde, dauerte es bis in die 2020er Jahre, bis die ersten kommerziellen Anwendungen erschienen, aber in den nächsten Jahren könnten wir Dutzende von MOF-basierten Produkten sehen. Branchenriesen werden aufmerksam – Öl- und Gasunternehmen interessieren sich für MOFs zur saubereren Verarbeitung, Technologieunternehmen schauen auf MOFs für Luftfilter in Rechenzentren, und Automobilhersteller interessieren sich für MOF-Wasserstofftanks und CO₂-Filter für die Kabinenluft.

Weltweit steht die Unterstützung für MOF-Forschung und -Einsatz im Einklang mit dringenden Prioritäten wie Klimaschutz, nachhaltiger Entwicklung und moderner Fertigung. Regierungen und Investoren finanzieren MOF-Start-ups und Pilotprojekte, da sie erkennen, dass diese Materialien ihrem Land einen Wettbewerbsvorteil im Bereich der sauberen Technologien verschaffen könnten. In den USA und Europa sind MOFs Teil von Fahrplänen für CO2-Abscheidung und Wasserstoffspeicherung. Chinas aktuelle Fünfjahrespläne betonen neue Materialien und Nachhaltigkeit – Bereiche, in denen MOFs besonders stark sind. Auch internationale Organisationen sind beteiligt: So wurde MOF-basierte CO2-Abscheidung auf jüngsten CCUS-Konferenzen hervorgehoben decarbonfuse.com, und MOF-Wassergewinnung wurde von Medien wie BBC und Scientific American aufgegriffen, was die öffentliche Aufmerksamkeit auf diese Innovationen lenkt.

Natürlich bleiben Herausforderungen bestehen. Herstellungskosten und Skalierbarkeit müssen weiter verbessert werden (obwohl, wie bereits erwähnt, in diesem Bereich erhebliche Fortschritte erzielt werden businesswire.com). Die Langzeitstabilität von MOFs unter realen Bedingungen (ausgesetzt gegenüber Verunreinigungen, vielfachem Zyklieren) muss im Einzelfall nachgewiesen werden. Und jede Anwendung muss sich mit Konkurrenz durch andere Technologien auseinandersetzen (zum Beispiel: Kann die CO2-Abscheidung mit MOFs neue Lösungsmittel- oder Membransysteme übertreffen? Können MOF-Wassergewinner die traditionelle Entsalzung im großen Maßstab übertreffen?). Diese Fragen werden in den kommenden Jahren durch Demonstrationsprojekte und wirtschaftliche Analysen beantwortet werden. Die ersten Anzeichen sind ermutigend: Wo MOFs glänzen, glänzen sie wirklich – sie bieten Fähigkeiten, die von Alternativen nicht erreicht werden (z. B. kann kein anderes Material so effizient Wasser bei 10 % Luftfeuchtigkeit gewinnen oder so viel Wasserstoff in so leichter Form speichern).

Abschließend zeigen MOFs die Kraft der chemischen Innovation, um globale Herausforderungen anzugehen. Sie begannen als eine Kuriosität in Chemielaboren und haben sich zu einer Plattform entwickelt, die das Potenzial hat, die Industrie sauberer, Energie nachhaltiger und Ressourcen wie Wasser zugänglicher zu machen. Die weltweiten Bemühungen, MOFs zu entwickeln – von amerikanischen Start-ups über chinesische Universitäten, europäische Forschungskonsortien bis hin zu Labors im Nahen Osten – unterstreichen einen gemeinsamen Optimismus in Bezug auf diese Materialien. Wie es ein Bericht treffend formulierte, befinden sich MOFs „im Übergang von einer wissenschaftlichen Kuriosität zur kommerziellen Realität“ und lösen Probleme bei der Kohlenstoffabscheidung, Wasser, Energie und mehr businesswire.com. Wenn sich die aktuellen Trends fortsetzen, könnten MOFs schon bald unauffällig im Hintergrund vieler Bereiche des täglichen Lebens arbeiten und dazu beitragen, eine grünere und fortschrittlichere Welt zu verwirklichen. Das nächste Mal, wenn Sie in der Wüste einen Schluck Wasser trinken, ein Wasserstoffauto fahren oder in einer Stadt sauberere Luft atmen, könnte ein metallorganisches Gerüst ein Teil des Grundes dafür sein.

Quellen: Aktuelle Forschung und Expertenkommentare zu MOFs stammen aus führenden wissenschaftlichen Fachzeitschriften, Pressemitteilungen von Universitäten und Branchenberichten, darunter Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.org cas.org, Businesswire-Mitteilungen businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu und Marktanalysen businesswire.com sowie weitere. Diese Quellen unterstreichen den Konsens, dass MOFs eine bahnbrechende Plattform in der Materialwissenschaft darstellen und bereits einen schnell wachsenden Einfluss in der Praxis haben.