- MOF’s hebben een wereldrecord aan interne oppervlakte tot ongeveer 7.000 m^2 per gram, met theoretische ontwerpen tot 14.600 m^2/g.
- In ongeveer 20 jaar hebben onderzoekers bijna 90.000 unieke MOF-structuren gecreëerd, met nog honderdduizenden meer voorspeld door theorie.
- MOF’s zijn poreuze kristallijne netwerken opgebouwd uit metaal-knooppunten en organische koppelstukken, die een afstembaar 3D-rooster vormen dat werkt als een moleculaire spons.
- CALF-20, een op zink gebaseerde MOF, kan ongeveer één ton CO2 per dag per kubieke meter vasthouden onder industriële omstandigheden.
- ZnH-MFU-4l is een baanbrekende MOF voor CO2-afvang bij hoge temperatuur die selectief CO2 bindt uit hete rookgassen rond 300 °C, waarbij meer dan 90 procent van de CO2 wordt afgevangen.
- DCF-1, gelanceerd door Decarbontek medio 2025, is een goedkope MOF gemaakt van zinkoxide en citroenzuur, waarvan de kosten naar verwachting ongeveer $10 per kilogram bedragen op volledige schaal.
- Svante test een CALF-20 MOF-sorptiesysteem bij een cementfabriek dat ongeveer 1 ton CO2 per dag kan afvangen.
- MOF-303, een op aluminium gebaseerde water-oogstende MOF, maakte in 2023 een handmatig apparaat mogelijk in Death Valley dat ongeveer 85–90% van het geadsorbeerde water terugwint, tot 285 gram per kilogram per dag.
- Het EU MOST-H2-project, gelanceerd in 2022, gebruikt AI om MOF’s te screenen voor waterstofopslag; in 2025 werd vooruitgang gemeld met meer dan 10.000 gescreende structuren en prototypes die voldoen aan DOE-doelstellingen bij cryogene omstandigheden.
- MIL-101(Cr) kan worden gepore-expandeerd van ongeveer 2,5 nm tot 5 nm via behandeling met azijnzuur, waardoor een hogere lading van ibuprofen en 5-fluorouracil en snellere afgifte mogelijk is.
Een gamechanger in geavanceerde materialen en duurzaamheid
Stel je een materiaal voor met zoveel intern oppervlak dat een snufje ervan het equivalent bevat van zes voetbalvelden aan oppervlakte news.berkeley.edu. Zulke metaal-organische raamwerken (MOFs) zijn poreuze, kristallijne verbindingen die bestaan uit metaal-knooppunten verbonden door organische schakels, waardoor sponsachtige netwerken op moleculaire schaal ontstaan. Wetenschappers prijzen MOFs aan als materialen met “schijnbaar grenzeloze mogelijkheden” om op maat gemaakte structuren te bouwen met specifieke eigenschappen cas.org. In de afgelopen 20 jaar is het onderzoek naar MOFs geëxplodeerd – er zijn bijna 90.000 unieke MOF-structuren gecreëerd (en in theorie worden er nog honderdduizenden meer voorspeld) cas.org. Deze toename wordt gedreven door de belofte dat MOFs kritieke uitdagingen op het gebied van duurzaamheid en technologie kunnen aanpakken. Van het afvangen van klimaatopwarmend koolstofdioxide en het opslaan van schone waterstofbrandstof tot het afleveren van medicijnen en het oogsten van water uit woestijnlucht, MOFs staan op het punt om doorbraken te realiseren in sectoren variërend van energie en milieu tot biomedicine cas.orgcas.org. In dit rapport leggen we uit wat MOFs zijn, hoe ze werken en worden gemaakt, en waarom ze als revolutionair worden beschouwd. We verkennen belangrijke toepassingen – waaronder CO2-afvang, waterstofopslag, medicijnafgifte, sensoren en waterwinning – en belichten recente wetenschappelijke doorbraken, toepassingen in de praktijk en inzichten van experts. Door het wereldwijde landschap (VS, EU, China en daarbuiten) en de nieuwste ontwikkelingen te bekijken, zien we waarom MOFs worden gezien als baanbrekende materialen voor een duurzamere toekomst.Wat zijn MOFs? Poreuze kristallen met recordoppervlakten
Metaal-organische raamwerken (MOFs) zijn een bijzondere klasse van materialen die zijn opgebouwd als moleculaire Tinkertoys. Ze bestaan uit metaalionen of clusters die fungeren als knooppunten, verbonden door organische moleculen (liganden) als stutten. Deze componenten assembleren zichzelf tot een open, kooi-achtig kristalrooster – feitelijk vormend tot een 3D poreus netwerk dat bij elkaar wordt gehouden door coördinatiebindingen cas.org. Het resultaat is een kristallijne spons: MOFs hebben een extreem hoge porositeit en oppervlakte, wat betekent dat hun binnenkant vol zit met kleine holtes en kanalen waar andere moleculen in kunnen. Sterker nog, MOFs houden het wereldrecord voor oppervlakte in een materiaal – sommige bieden tot wel ~7.000 m^2 per gram, met theoretische ontwerpen tot 14.600 m^2/g cas.org. Ter vergelijking: slechts een eetlepel van een typische MOF kan een inwendig oppervlak hebben ter grootte van meerdere voetbalvelden, wat volop ruimte biedt voor het adsorberen van gassen of andere moleculen news.berkeley.edu.
Dit enorme interne oppervlak en de afstembare poriestructuur maken MOFs zo bijzonder. Door de metaal-knooppunten of organische verbindingsstukken te wisselen, kunnen chemici verschillende MOFs maken met op maat gemaakte poriegroottes, vormen en chemische functionaliteiten cas.org. Bijna elke combinatie is mogelijk – een pionier op dit gebied, professor Omar Yaghi (die MOFs voor het eerst synthetiseerde in de jaren 1990), merkte op dat tien- tot twintigduizenden MOFs zijn gemaakt en dat “honderdduizenden meer” worden voorspeld door algoritmen cas.org. Deze modulaire “reticulaire” ontwerpstrategie betekent dat wetenschappers in wezen materialen op bestelling kunnen ontwerpen: zo kan een MOF bijvoorbeeld worden ontworpen om bij voorkeur CO₂-moleculen te vangen, of om op te lichten in aanwezigheid van een toxine, simpelweg door de juiste bouwstenen te kiezen. Het keerpunt van deze diversiteit is een uitdaging – met zoveel mogelijke structuren is het moeilijk te voorspellen welke MOF het beste werkt voor een bepaalde toepassing cas.org. (Onderzoekers maken steeds vaker gebruik van AI en machine learning om MOF-databases te doorzoeken en de meest veelbelovende kandidaten te suggereren, een punt waar we later op terugkomen cas.org.)
Samengevat is een MOF als een ultrafijne spons of steiger op nanoschaal. Het is gemaakt van anorganische en organische componenten die in een herhaalbaar rooster zijn vergrendeld, wat resulteert in een vast materiaal dat grotendeels uit lege ruimte bestaat. Die lege poriën kunnen gastmoleculen herbergen. Cruciaal is dat MOF’s meestal robuust blijven, zelfs nadat hun oorspronkelijke oplosmiddel-“gasten” zijn verwijderd – het lege raamwerk blijft intact en poreus, klaar om nieuwe moleculen te adsorberen en ze onder de juiste omstandigheden weer vrij te geven en.wikipedia.org. Deze omkeerbare opname en afgifte is essentieel voor toepassingen van gasopslag tot medicijnafgifte. Zoals Dr. Kurtis Carsch, een chemicus van UC Berkeley, uitlegt: “Als gevolg van hun unieke structuren hebben MOF’s een hoge dichtheid aan plekken waar je CO₂ kunt opvangen en vrijlaten onder de juiste omstandigheden” news.berkeley.edu – of op dezelfde manier andere moleculen kunt opvangen en vrijlaten. In wezen bieden MOF’s een ongeëvenaarde combinatie van hoge capaciteit (door het enorme oppervlak), afstembaarheid (door chemisch ontwerp) en omkeerbaarheid, waardoor ze een krachtig platform vormen in de materiaalkunde.
Hoe worden MOF’s gemaakt, en hoe werken ze?
Het synthetiseren van een MOF is vaak eenvoudiger dan de ingewikkelde structuur doet vermoeden. Meestal lossen wetenschappers een metaalbron (zoals een metaalzout) en een organische koppelingsmolecule op in een oplosmiddel, waarna ze de kristalvorming stimuleren door langzaam te mengen, te verwarmen of te laten verdampen. De metaalionen en koppelstukken coördineren en kristalliseren spontaan tot een geordend raamwerk – waarbij een MOF-kristal groeit zoals kandijsuiker uit een suikeroplossing neerslaat, maar dan op moleculaire schaal. Veel MOF’s worden gemaakt via solvothermische methoden (het verhitten van de ingrediënten in een gesloten vat), hoewel nieuwere technieken ook microgolf-ondersteunde synthese, sproeidrogen en zelfs mechanochemisch malen zonder oplosmiddel omvatten. Wat opmerkelijk is, is dat MOF’s zich vaak onder relatief milde omstandigheden zelf kunnen assembleren. Zo wordt een recent baanbrekende MOF voor koolstofafvang, genaamd DCF-1, eenvoudig gesynthetiseerd door zinkoxide met citroenzuur in water te mengen – een “veilige, duurzame en gepatenteerde methode” die een hoog presterende MOF goedkoop oplevert businesswire.com. Dit illustreert hoe onderzoekers de productiemethoden verbeteren om de kosten te verlagen en agressieve chemicaliën te vermijden. MOF-kristallen kunnen variëren van nanometer- tot millimeterformaat, en ze worden meestal verwerkt tot poeders of gevormd tot pellets en membranen voor praktisch gebruik.
Hoe MOF’s werken komt neer op adsorptie en selectiviteit. Hun poriën fungeren als kleine opslaglockers of vallen voor moleculen. Wanneer een MOF wordt blootgesteld aan een gas of vloeistof, kunnen doelmoleculen de poriën binnendringen en zich hechten aan de interne oppervlakken (via van der Waals-krachten, chemische interacties op specifieke plaatsen, enz.). Omdat MOF’s zoveel inwendig oppervlak hebben en vaak chemische groepen bevatten die bepaalde moleculen binden, kunnen ze verbazingwekkende hoeveelheden opnemen. Zo kan één MOF (CALF-20, een zink-gebaseerd framework) ongeveer één ton CO₂ per dag per kubieke meter materiaal vasthouden onder industriële omstandigheden businesswire.com – het werkt in feite als een gigantische spons voor koolstofdioxide. Toch is de adsorptie meestal omkeerbaar: door de omstandigheden te veranderen (de MOF verwarmen, de druk verlagen of doorspoelen met een ander gas), worden de gevangen moleculen vrijgelaten (desorptie) en wordt de MOF geregenereerd voor een nieuwe cyclus news.berkeley.edu. Deze cyclische opname en afgifte is cruciaal voor toepassingen zoals koolstofafvang of gasopslag, waarbij de MOF vele malen hergebruikt moet worden. In het CO₂-afvangvoorbeeld, zodra de MOF verzadigd is met CO₂, “kan de CO₂ worden verwijderd door de partiële druk te verlagen – ofwel door te spoelen met een ander gas of door vacuüm toe te passen. De MOF is dan klaar om opnieuw te worden gebruikt voor een volgende adsorptiecyclus” news.berkeley.edu.
De interne chemie van elke MOF kan worden afgestemd om bepaalde moleculen te verkiezen boven andere, waardoor ze zeer selectief zijn. Sommige MOF’s hebben open metaalplaatsen of functionele groepen in hun poriën die werken als haken voor specifieke gassen. Andere zijn versierd met moleculen (zoals amines of koperplaatsen) die reageren met een doelmolecuul (zoals CO₂). Deze afstembaarheid is een groot voordeel – in tegenstelling tot traditionele poreuze materialen (zoals actief kool of zeolieten) die vaste eigenschappen hebben, kunnen MOF’s op maat worden ontworpen. “Hun afstembare eigenschappen zijn de sleutel,” merkt een CAS Insights-rapport op, “een hoog oppervlak en porositeit gecombineerd met aanpasbare chemie geven MOF’s het vermogen om gassen en vluchtige verbindingen te adsorberen, wat enorme interesse wekt in gasscheiding en -opslag, met name voor CO₂” cas.org. Kortom, MOF’s werken door moleculen selectief te vangen in hun nanoscopische poriën – een beetje zoals een zeef of filter gemaakt van moleculen – en ze kunnen de lading later vrijgeven wanneer ze worden geactiveerd. Dit eenvoudige concept ligt ten grondslag aan de verscheidenheid aan toepassingen die we zullen bespreken, van het verwijderen van CO₂ uit uitlaatgassen, tot het dichter opslaan van waterstof als brandstof, tot het vervoeren van geneesmiddelmoleculen in de bloedbaan.
Belangrijkste toepassingen van MOF’s
De unieke sponsachtige eigenschappen van MOFs maken ze bruikbaar in een verrassend breed scala aan toepassingen. Hieronder verkennen we enkele van de meest impactvolle toepassingen die vandaag de dag worden nagestreefd – samen met recente doorbraken en voorbeelden in elk gebied.
Koolstofafvang en klimaatmitigatie
Een van de meest urgente toepassingen voor MOFs is het afvangen van koolstofdioxide uit rookgassen van energiecentrales of zelfs direct uit de lucht. Het verminderen van CO₂-uitstoot is cruciaal in de strijd tegen klimaatverandering, en MOFs komen naar voren als “een van de meest veelbelovende materialen voor koolstofafvang” omdat ze CO₂ kunnen opnemen met een grotere efficiëntie en lagere energiekosten dan conventionele methoden ccarbon.info. Traditionele koolstofafvangtechnologie gebruikt vloeibare amineoplossingen om CO₂ te binden, maar amines zijn corrosief, energie-intensief om te regenereren, en werken meestal alleen bij relatief lage temperaturen (rond 40–60 °C). Veel industriële rookgassen zijn echter veel heter (uitstoot van cement- en staalfabrieken kan boven de 200–300 °C uitkomen), waardoor koolstofafvang moeilijk en kostbaar wordt omdat de gassen eerst moeten worden gekoeld news.berkeley.edu. MOFs bieden een mogelijke sprong voorwaarts: ze kunnen worden ontworpen om CO₂ zelfs onder zware omstandigheden vast te leggen, en het vervolgens vrij te geven met bescheiden verwarming of drukveranderingen, met veel minder energieverbruik dan aminescrubbers ccarbon.info.
In eind 2024 meldden UC Berkeley-chemici een doorbraak MOF die CO₂ uit hete rookgassen kan opvangen zonder voorafgaande koeling. Het materiaal, bekend als ZnH-MFU-4l, bevat zinkhydridesites in zijn poriën die CO₂ sterk binden bij hoge temperaturen. “We hebben ontdekt dat een MOF kooldioxide kan opvangen bij ongekend hoge temperaturen – temperaturen die relevant zijn voor veel CO₂-uitstotende processen,” zei Dr. Kurtis Carsch, co-eerste auteur van de studie. “Dit werd eerder niet mogelijk geacht voor een poreus materiaal.” news.berkeley.edu Onder gesimuleerde uitlaatgasomstandigheden kon deze MOF selectief CO₂ opvangen bij ~300 °C (typisch voor cement-/staalrookgas) en meer dan 90% van de CO₂ in de stroom opvangen (“diepe koolstofopvang”), wat de prestaties van vloeibare amines evenaart news.berkeley.edu. Dergelijke werking bij hoge temperatuur vermijdt de noodzaak om energie en water te besteden aan het koelen van de emissies news.berkeley.edu, waardoor koolstofopvang mogelijk wordt voor “moeilijk te decarboniseren” industrieën zoals staal en cement. “Omdat entropie het hebben van moleculen zoals CO₂ in de gasfase steeds meer bevoordeelt bij toenemende temperatuur, werd algemeen gedacht dat het onmogelijk was om zulke moleculen met een poreus vast materiaal op te vangen bij temperaturen boven 200 °C,” merkte professor Jeffrey Long op, die het onderzoek leidde. “Dit werk toont aan dat met de juiste functionaliteit… CO₂-opvang met hoge capaciteit inderdaad kan worden bereikt bij 300 °C.” news.berkeley.edu De ontdekking opent een nieuw ontwerppad (met metaalhydridesites in MOFs) voor koolstofopvangmaterialen van de volgende generatie news.berkeley.edu.MOF’s schitteren ook in meer conventionele CO₂-afvangtoepassingen. De interesse van startups en bedrijven is enorm toegenomen: ExxonMobil heeft patenten aangevraagd op MOF-technologieën voor koolstofafvang cas.org, en onderzoekers aan KAUST in Saoedi-Arabië hebben MOF’s gepatenteerd voor het afvangen van CO₂ en het scheiden van gassen cas.org. Tal van startups racen om MOF-gebaseerde CO₂-filters te commercialiseren. Zo onderzoekt Nuada (een Europese startup) MOF-systemen om cementfabrikanten te helpen CO₂ uit rookgassen af te vangen cas.org. Een ander bedrijf, Mosaic Materials, ontwikkelde een amine-gefunctionaliseerde MOF voor CO₂-afvang die zo veelbelovend was dat het in 2022 werd overgenomen door energietechnologiebedrijf Baker Hughes voor opschaling news.berkeley.edu. De MOF van Mosaic wordt getest in pilots als alternatief voor vloeibare amines, en zelfs voor directe afvang van CO₂ uit de lucht news.berkeley.edu.Gewoon halverwege 2025 kondigde Decarbontek, Inc. aan dat het commercieel een MOF-adsorbens voor koolstofafvang produceert. Het bedrijf lanceerde DCF-1 (De-Carbon Framework-1), en noemde het “een baanbrekende, goedkope, hoogwaardige MOF ontworpen voor schaalbare koolstofafvang”, nu per kilogram verkrijgbaar via ccarbon.info. “Met de lancering van DCF-1 stellen we een nieuwe standaard voor koolstofafvangmaterialen,” zei Dr. Yong Ding, CEO van Decarbontek. “Het is kosteneffectief, eenvoudig te produceren en zeer efficiënt – waardoor koolstofafvang toegankelijk wordt voor alle sectoren.” businesswire.com DCF-1 kan goedkoop worden gemaakt (met gewoon zinkoxide en citroenzuur) en is bedoeld om slechts ongeveer $10 per kg te kosten op volledige schaal, “vergelijkbaar met gewone moleculaire zeven”, aldus Ding businesswire.com. Dit is belangrijk omdat MOF’s lange tijd als te duur voor grootschalig gebruik werden beschouwd; een goedkope, eenvoudig te maken MOF zou een belangrijke barrière voor adoptie kunnen wegnemen ccarbon.info. Het materiaal combineert naar verluidt hoge CO₂-opname met een niet-giftig, op water gebaseerd productieproces, ideaal voor het achteraf inbouwen in fabrieken of zelfs het uit de lucht halen van CO₂ businesswire.com. Het product van Decarbontek en andere soortgelijke producten onderstrepen hoe MOF-technologie van het laboratorium naar de markt beweegt op het gebied van koolstofafvang.Misschien is het meest tastbare teken van vooruitgang te zien in pilotprojecten: Svante, een Canadees bedrijf, gebruikt een MOF-sorbens (CALF-20, geproduceerd door BASF) in een demonstratiesysteem dat ongeveer 1 ton CO₂ per dag afvangt uit de rookgassen van een cementfabriek businesswire.com. Deze praktijkproef laat zien dat MOF’s industriële gasstromen aankunnen en daadwerkelijk presteren onder veldomstandigheden. Dergelijke ontwikkelingen suggereren dat MOF’s binnenkort een sleutelrol kunnen spelen in Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS)-inspanningen wereldwijd, en zo industrieën helpen CO₂-uitstoot te verminderen. Aangezien koolstofafvang essentieel is voor het beperken van klimaatverandering (vooral voor sectoren die niet gemakkelijk kunnen elektrificeren), worden MOF’s algemeen gezien als een “wondermateriaal”-doorbraak voor decarbonisatie news.berkeley.edu, energiesmedia.com. Door hogere efficiëntie en lagere energiekosten te bieden, kan koolstofafvang op basis van MOF’s bredere toepassing van CCUS mogelijk maken – een belangrijke brug naar een netto-nul toekomst terwijl hernieuwbare energie wordt opgeschaald. Kortom, MOF’s bieden een krachtige nieuwe gereedschapskist voor het beheersen van CO₂, van fabrieksschoorstenen tot de open lucht, en daarom blijft dit toepassingsgebied de heetste focus in MOF-onderzoek en commercialisering.
Waterstofopslag en schone energie
Als MOF’s kunnen helpen koolstof uit onze huidige energiesystemen te verwijderen, staan ze ook op het punt om schone energiedragers zoals waterstof in de toekomst mogelijk te maken. Waterstof (H₂) is een veelbelovende koolstofvrije brandstof (het verbrandt tot alleen water), maar waterstof efficiënt opslaan is een grote uitdaging – H₂ is een zeer laag-dichtheidsgas, en comprimeren of vloeibaar maken kost veel energie en vereist zware tanks. MOF’s bieden een manier om waterstof compact en veilig op te slaan via adsorptie. In wezen kan waterstofgas met hoge dichtheid in de poriën van een MOF worden geladen (vooral bij lagere temperaturen), als eieren in een eierdoos, en vervolgens worden vrijgegeven wanneer nodig. Het Amerikaanse Department of Energy en anderen hebben doelen gesteld voor waterstofopslagmaterialen (voor het gewichtspercentage en het volume opgeslagen H₂), en bepaalde MOF’s zijn dicht bij of zelfs boven deze doelen uitgekomen bij cryogene temperaturen.
In Europa wordt er hard gewerkt om MOF’s in te zetten voor waterstofopslag. Het door de EU gefinancierde MOST-H2-project (gestart in 2022) ontwikkelt cryo-adsorptieve waterstofopslagsystemen met behulp van geavanceerde MOF’s cordis.europa.eu. Bij cryo-adsorptie wordt waterstofgas gekoeld (meestal tot het bereik van vloeibare stikstof, ~77 K) en geadsorbeerd op een poreus materiaal, waardoor een hoge dichtheid wordt bereikt zonder extreme drukken. Het “geheime wapen van het project is een speciale klasse van poreuze kristallijne materialen, genaamd MOF’s,” die ze vormen tot monolithische MOF-adsorbenten met een optimale combinatie van volumetrische en gravimetrische capaciteit cordis.europa.eu. In 2025 meldden de MOST-H2-onderzoekers “significante vooruitgang” – ze combineerden AI-gestuurde screening met experimenten om nieuwe MOF-verbindingen te identificeren die de algemeen aanvaarde doelen voor zowel gravimetrische als volumetrische waterstofopslagcapaciteit overtreffen cordis.europa.eu. Deze doorbraken zijn veiliggesteld via octrooiaanvragen cordis.europa.eu, wat hun nieuwheid onderstreept. In de praktijk kunnen de MOF-prototypen van het team waterstof dicht opslaan onder cryogene omstandigheden, in materialen die gemakkelijk en veilig te hanteren zijn (geen extreem hoge drukken) en een “zeer kleine ecologische voetafdruk” hebben cordis.europa.eu. Het uiteindelijke doel is om deze MOF’s te integreren in een volledige “lab-to-tank” waterstofopslagoplossing voor toepassingen zoals waterstofvoertuigen (het project onderzoekt casestudy’s voor waterstoftreinen in Oostenrijk en Italië) cordis.europa.eu.Een opvallend aspect van deze inspanning is het gebruik van machine learning om ontdekkingen te versnellen. Het MOST-H2-project ontwikkelde een AI-tool om te voorspellen welke MOF-structuren optimaal zouden zijn voor waterstofopslag, waarmee een “robuuste database van hoog presterende materialen” werd gecreëerd en werd getoond hoe computationele methoden de ontwikkeling van MOF’s kunnen veranderen cordis.europa.eu. Door meer dan 10.000 MOF-structuren virtueel te screenen en vervolgens de beste kandidaten in het lab te testen, kon het team verschillende toppresteerders identificeren die ze direct patenteerden cordis.europa.eu. Deze aanpak vermindert sterk het trial-and-error dat normaal nodig is in materiaalonderzoek en -ontwikkeling. Als resultaat zijn de MOF’s van het project op schema om te voldoen aan of zelfs de strenge opslagdoelen te overtreffen die vereist zijn voor praktische brandstoftanks, terwijl ze kosteneffectief en stabiel blijven over vele cycli cordis.europa.eu. Het MOF-gebaseerde tankontwerp wordt ook geoptimaliseerd met geavanceerde warmte- en massatransfermodellen en levenscyclusanalyses, om te verzekeren dat het opgeschaald en geïntegreerd kan worden in echte voertuigen cordis.europa.eu.Naast dit project hebben andere onderzoekers MOF’s aangetoond die opmerkelijke waterstofopname mogelijk maken. Zo kan MOF-74 (een bekend framework) meer waterstof absorberen dan welke niet-geperste tank dan ook bij 77 K, wat wijst op het potentieel van MOF’s om de bottleneck in waterstofopslag weg te nemen innovations-report.com. De algemene strategie is om te werken bij bijna cryogene temperaturen – wat misschien energie-intensief klinkt, maar technieken zoals slimme isolatie of het gebruik van “gratis” koeling uit het verdampen van vloeibare waterstof kunnen het haalbaar maken. De beloning zou zijn lichte, waterstoftanks met hoge capaciteit voor brandstofcelauto’s, bussen of vliegtuigen die geen 700-bar compressie of extreem zware vaten vereisen. Zulke tanks zouden “solid-state” waterstofbatterijen kunnen zijn, waarbij MOF-korrels waterstof veilig bij matige druk vasthouden. Onderzoekers verkennen ook MOF’s voor waterstofopslag bij kamertemperatuur, hoewel nog geen enkel materiaal aan alle DOE-doelstellingen voldoet bij omgevingscondities.
Samengevat staan MOF’s aan de frontlinie van het oplossen van het opslagprobleem van waterstof. Ze werken als nano-sponzen die waterstofmoleculen dicht opeen pakken door adsorptie, waardoor er meer waterstof in een bepaald volume bij een bepaalde druk past. Huidige MOF’s in combinatie met cryogene koeling hebben recordbrekende capaciteiten laten zien – soms zelfs meer dan vloeibare waterstof per volume kan bereiken – wat zou kunnen betekenen dat voertuigen op waterstof verder kunnen rijden op één tank en sneller kunnen bijtanken. Met de wereldwijde interesse in waterstof als schone energiedrager (voor transport, netopslag en industrie) zijn doorbraken zoals MOF-gebaseerde tanks van cruciaal belang. Het feit dat er patenten worden aangevraagd en meerjarige projecten worden gefinancierd in de EU en elders, geeft aan dat er vertrouwen is dat MOF’s een sleutelrol zullen spelen in de waterstofeconomie. Zoals een EU-rapport het verwoordde, beloven deze innovatieve materialen “goedkope, efficiënte en milieuvriendelijke waterstofopslagoplossingen” voor de klimaatdoelstellingen van Europa cordis.europa.eu – een uitspraak die wereldwijd weerklank vindt nu landen investeren in H₂-infrastructuur.Toediening van geneesmiddelen en biomedische toepassingen
MOF’s zijn niet alleen voor energie en milieu – ze zorgen ook voor opschudding in de biomedische sector als nieuwe systemen voor medicijnafgifte en beeldvorming. In de farmaceutische context kunnen MOF’s dienen als nanoschaal dragers voor therapeutische moleculen. Het idee is dat een medicijn (dat een klein molecuul, eiwit of zelfs een nucleïnezuur kan zijn) in de poriën van de MOF kan worden geladen en vervolgens door het lichaam kan worden vervoerd, beschermd door de MOF-kooi. Het poreuze raamwerk kan het medicijn soms beschermen tegen voortijdige afbraak, de afgifte richten op een specifieke locatie, of een langzame, gecontroleerde afgifte in de tijd mogelijk maken. MOF’s kunnen zelfs worden ontworpen om te reageren op prikkels (zoals pH of licht) om de afgifte van het medicijn op commando te activeren jnanobiotechnology.biomedcentral.com. Dit is een snelgroeiend onderzoeksgebied binnen de nanogeneeskunde.
Een voordeel van MOFs is hun hoge laadcapaciteit – vanwege hun enorme oppervlak kunnen ze veel medicatie dragen in verhouding tot hun gewicht. Ook kunnen veel MOFs worden gemaakt van biocompatibele componenten (bijv. zink- of ijzerknooppunten met eetbare organische zuren), wat betekent dat ze kunnen afbreken tot niet-giftige bijproducten in het lichaam cas.org. Sommige MOFs zijn zelfs bio-vriendelijk en biologisch afbreekbaar, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor gebruik in levende organismen cas.org. Onderzoekers hebben de term “nano-MOFs” geïntroduceerd voor zeer kleine MOF-deeltjes (meestal 50–200 nanometer) die zijn ontworpen voor injectie in de bloedbaan of cellulaire aflevering axial.acs.org. Verschillende van deze nano-MOFs zijn doorontwikkeld tot klinische proeven voor kankertherapie axial.acs.org – bijvoorbeeld als dragers voor chemotherapiemiddelen of voor het verbeteren van bestralingstherapie. Dit toont het echte potentieel van MOFs als platform in de geneeskunde aan.Een recent onderzoek uit 2024 toonde aan hoe eenvoudige chemische aanpassingen de prestaties van een MOF bij medicijnafgifte kunnen verbeteren. Wetenschappers van de Universiteit van Miami namen een bekende MOF genaamd MIL-101(Cr) (een op chroom gebaseerd raamwerk met grote poriën) en “bliezen deze effectief op” door een extra synthesestap acs.org. Ze behandelden de MOF-kristallen met een beetje azijnzuur (azijnachtig) om de poriegrootte uit te breiden van ongeveer 2,5 nm tot 5 nm, waardoor het interne oppervlak werd vergroot acs.org. Deze “porie-uitgebreide” MOF-deeltjes werden vervolgens geladen met twee modelgeneesmiddelen – ibuprofen (een ontstekingsremmer) en 5-fluorouracil (een chemotherapiemedicijn) – om de capaciteit en afgiftesnelheid te testen. De resultaten waren opvallend: “De opgeblazen MOF’s bevatten meer ibuprofen of chemotherapiemedicijn in vergelijking met de originele versie en presteerden beter als potentieel medicijnafgiftevoertuig.” acs.org Doordat de poriën groter waren, konden er meer medicijnmoleculen binnenin passen, en inderdaad nam de gemodificeerde MOF een grotere hoeveelheid van beide medicijnen op dan de ongemodificeerde MIL-101 acs.org. Bovendien, in afgifte-experimenten, gaf de MOF met vergrote poriën de medicijnen aanzienlijk sneller af dan het origineel, dankzij de grotere openingen die fungeerden als brede “deuren” voor moleculen om te ontsnappen acs.org. Snellere afgifte kan gunstig zijn om snel therapeutische niveaus te bereiken, terwijl gecontroleerde langzame afgifte kan worden bereikt door andere aanpassingen. De onderzoekers zien deze eenvoudige zuurwastechniek als een manier om MOF-afgifteprofielen af te stemmen op verschillende behoeften acs.org. Zoals ze opmerken, “kunnen eenvoudige veranderingen zoals deze de effectiviteit van MOF’s in toekomstige medicijnafgiftetoepassingen maximaliseren”, en lopend onderzoek verkent hoe langzame, langdurige afgifte over specifieke tijdsbestekken kan worden bereikt door poriestructuren aan te passen acs.org.Dit is slechts één voorbeeld van vele. Andere studies hebben aangetoond dat MOF’s combinaties van medicijnen kunnen vervoeren, kwetsbare biomoleculen zoals eiwitten of RNA kunnen beschermen, en zelfs gerichte aflevering aan tumoren kunnen faciliteren (door doelgerichte liganden aan de MOF te koppelen). Omdat je metaalcentra kunt combineren, hebben onderzoekers ontdekt dat de metaalkeuze de afgiftesnelheid kan beïnvloeden – zo bleek uit één studie dat MOF’s gemaakt met magnesium een testmedicijn sneller vrijgaven dan die met zirkonium, wat suggereert dat meer oplosbare metaalnodes leiden tot snellere afbraak van het framework en medicijnafgifte axial.acs.org. Dergelijke inzichten sturen het ontwerp van MOF’s voor “on-demand” medicijnafgifte en theranostiek (therapie + diagnostiek). Opvallend is dat MOF’s ook kunnen dienen als contrastmiddelen of imaging probes; sommige bevatten luminescente lanthaniden of radioactieve isotopen voor tracking, en andere versterken MRI-signalen. De luminescente eigenschappen van bepaalde MOF’s hebben zelfs biosensoren mogelijk gemaakt die biomarkers of milieutoxines kunnen detecteren door een verandering in fluorescentie cas.org – waardoor de grens tussen medicijnafgifte en detectie vervaagt.Cruciaal is dat vroege veiligheidsstudies aangeven dat goed geformuleerde MOF’s niet-toxisch en biologisch afbreekbaar kunnen zijn in het lichaam cas.org. Zo kunnen MOF’s van ijzer of zink met voedselveilige linkers afbreken tot voedingsstoffen of worden uitgescheiden. Deze biocompatibiliteit, gecombineerd met een hoge ladingcapaciteit en veelzijdigheid, heeft ertoe geleid dat experts MOF’s bestempelen als een “veelbelovende nieuwe klasse van slimme medicijndragers” pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Hoewel er nog geen MOF-gebaseerd medicijn op de markt is, suggereren de lopende klinische proeven dat het slechts een kwestie van tijd is. In de nabije toekomst zouden MOF-nanodeeltjes chemotherapie directer naar kankercellen kunnen brengen, waardoor bijwerkingen verminderen, of kunnen fungeren als “nano-antidota” die giftige stoffen in het lichaam absorberen. Het onderzoekstempo is hoog – een review telde tientallen MOF-medicijnafgiftesystemen voor kanker, hiv, diabetes en meer in onderzoek pmc.ncbi.nlm.nih.gov. Als deze inspanningen slagen, zouden MOF’s een nieuw tijdperk van precisiegeneeskunde kunnen inluiden, waarbij behandeling niet alleen draait om het medicijnmolecuul, maar ook om het slimme voertuig dat het vervoert.
Sensoren en Detectie
Dankzij hun afstembare chemie en vaak inherente luminescentie zijn MOFs uitgegroeid tot krachtige componenten in chemische sensoren. Een kleine verandering in de structuur van een MOF – bijvoorbeeld het binden van een gastmolecuul of het overdragen van een elektron – kan resulteren in een detecteerbaar optisch of elektrisch signaal. Dit maakt MOFs uitstekend geschikt voor het detecteren van sporenverbindingen in het milieu, voedsel of zelfs in het menselijk lichaam. Onderzoekers hebben MOF-gebaseerde sensoren ontwikkeld voor een breed scala aan doelwitten: zware metaalionen, explosieven (zoals TNT-dampen), gevaarlijke industriële gassen en biomarkers voor ziekten, om er maar een paar te noemen sciencedirect.com, pubs.rsc.org.
Een populaire benadering zijn luminescente MOFs (vaak LMOFs genoemd). Dit zijn MOFs die van nature fluoresceren of fosforesceren, of die zijn gedoteerd met fluorescerende moleculen/metaalionen. Wanneer een doel-analyte de poriën van de MOF binnendringt, kan dit de luminescentie veranderen – bijvoorbeeld door deze te doven, te versterken of van kleur te laten veranderen. Bepaalde MOFs met lanthanidemetalen geven bijvoorbeeld een fel signaal af dat selectief kan worden gedoofd door specifieke chemicaliën, waardoor deze chemicaliën bij zeer lage concentraties kunnen worden gedetecteerd pubs.rsc.org. Er zijn MOFs die werken als turn-on sensoren voor metaalionen zoals aluminium (ze lichten alleen op wanneer het ion bindt) pubs.acs.org, of als kleurveranderende sensoren voor pH of zuurstof. Omdat MOFs een modulaire structuur hebben, kunnen sensorontwerpers herkenningsplaatsen direct in het raamwerk opnemen. Stel je een MOF voor met bindingsplaatsen die perfect zijn afgestemd op een verontreinigingsmolecuul – wanneer de verontreiniging wordt gevangen, veroorzaakt dit een elektron- of energietransfer waardoor de fluorescentie van de MOF doffer wordt of van kleur verandert. Dergelijke specificiteit is zeer gewaardeerd bij detectie.
Een belangrijk voordeel van MOF-sensoren is dat ze zeer gevoelig en selectief kunnen worden gemaakt terwijl ze stabiel blijven. MOFs kunnen vaak in verschillende omgevingen werken (sommige zijn waterstabiel, voor detectie in water). Onderzoekers hebben zelfs MOF-gebaseerde sensoren ontwikkeld die biomarkers in complexe vloeistoffen zoals urine of bloed kunnen detecteren door het doelwit in één stap te filteren en op te vangen sciencedirect.com. Een andere spannende ontwikkeling zijn elektrochemische MOF-sensoren: geleidende MOFs of composieten kunnen een elektrische stroomrespons genereren wanneer een gas of damp wordt geadsorbeerd, en werken zo als een nieuw soort “elektronische neus” orcasia.org.
Belangrijk is dat veel MOF’s gemaakt zijn van relatief onschadelijke componenten, waardoor het gebruik ervan in consumentensensoren of biomedische sensoren haalbaar is. Een CAS-analist merkte op dat MOF’s uitstekend kunnen dienen als biosensoren omdat sommige “lage toxiciteit en biologisch afbreekbaar” zijn, vooral die gebruikt worden bij luminescentie-gebaseerde detectie cas.org. Dit betekent dat een met MOF gecoate sonde op een dag in vivo (in het lichaam) gebruikt zou kunnen worden om condities te monitoren, of dat MOF-deeltjes deel kunnen uitmaken van een diagnostische test die na gebruik veilig oplost. MOF-sensoren zijn al getest voor zaken als toxische zware metalen in water (waarbij de MOF fluoresceert in aanwezigheid van kwik of lood) pubs.acs.org, voedselverontreinigingen (pesticiden of antibiotica die de emissie van een MOF doen veranderen) sciencedirect.com, en zelfs als draagbare sensoren voor ademhalingsanalyse.
Een voorbeeld in ontwikkeling is een MOF-gebaseerde sensorarray voor het detecteren van explosieven en chemische oorlogsagentia. Door meerdere MOF’s te gebruiken, elk afgestemd op verschillende chemische vormen, kan een array een unieke vingerafdruk produceren voor een bepaalde stof (vergelijkbaar met hoe onze neus geuren onderscheidt). Een ander voorbeeld: onderzoekers hebben een luminescente MOF-sensor gemaakt die snel bedorven voedsel kan signaleren door aminedampen van vleesafbraak te detecteren, wat een kleurverandering als indicator geeft sciencedirect.com. Deze creatieve oplossingen laten zien hoe MOF’s kunnen bijdragen aan de volksgezondheid en veiligheid.
Kortom, MOF’s brengen hoge gevoeligheid, aanpasbaarheid en stabiliteit naar sensortechnologie. Ze kunnen in sommige gevallen moleculen op delen-per-miljard-niveau detecteren, en hun respons kan zo worden ontworpen dat deze gemakkelijk af te lezen is (een kleurverandering zichtbaar voor het oog, of een verandering in stroom/spanning voor elektronische uitlezing). Naarmate milieumonitoring en voedselveiligheidsnormen strenger worden, zouden MOF-sensoren wijdverbreid gebruikt kunnen worden vanwege hun combinatie van precisie en praktische toepasbaarheid. Het feit dat MOF’s kunnen worden omgezet in dunne films of poeders die apparaten coaten, betekent dat integratie in sensorhardware heel goed mogelijk is. Bedrijven en onderzoekslaboratoria wereldwijd patenteren actief MOF-sensorontwerpen cas.orgcas.org, wat aangeeft dat we binnenkort commerciële sensorproducten kunnen zien die gebruikmaken van MOF-technologie – van slimme keukensensoren die bederf detecteren, tot draagbare detectoren voor luchtkwaliteit en veiligheid. Dit is een levendig gebied waar chemie en techniek samenkomen, en MOF’s staan aan de voorhoede van het meetbaar en detecteerbaar maken van onze wereld in fijn detail.
Waterwinning en technologieën voor schoon water
Misschien een van de meest futuristisch klinkende toepassingen van MOF’s – maar toch al in het echte leven aangetoond – is het halen van drinkbaar water uit de lucht. Atmosferische waterwinning is een technologie die erop gericht is om vocht uit de lucht te halen (zelfs in droge woestijnklimaten) om zo vers water te leveren. Traditionele ontvochtigers of mistnetten vereisen relatief vochtige lucht of veel energie. Maar MOF’s hebben het vermogen getoond om water uit extreem droge lucht (tot 10–20% relatieve luchtvochtigheid) te vangen en het vervolgens met minimale energie vrij te geven, waardoor ze ideaal zijn voor off-grid watergeneratoren in door droogte getroffen gebieden.
Het concept werd gepionierd door professor Omar Yaghi (de uitvinder van MOF’s) en zijn collega’s. In 2017 rapporteerden zij voor het eerst een MOF (MOF-801) die water uit woestijnlucht kon winnen met alleen zonlicht als energiebron. Snel vooruit naar 2023, en de technologie is met sprongen vooruitgegaan. Onderzoekers van UC Berkeley onthulden een handzaam waterwinningsapparaat met MOF’s dat werd getest in Death Valley – een van de droogste, heetste plekken op aarde. Het apparaat, ongeveer zo groot als een kleine rugzak en volledig aangedreven door omgevingszonlicht, doorliep herhaaldelijk cycli om ’s nachts water te vangen en het overdag als vloeistof vrij te geven. “Deze tests toonden aan dat het apparaat overal schoon water kan leveren,” meldde het team, en noemde het een dringende oplossing nu “klimaatverandering de droogte verergert.” cdss.berkeley.edu De op MOF gebaseerde waterwinner kon vocht uit lucht met slechts 10% luchtvochtigheid halen en tot 285 gram water per kilogram MOF per dag in het veld produceren cdss.berkeley.edu. (~285 g is ongeveer een kopje water; laboratoriumtests onder ideale omstandigheden leveren zelfs meer op.) Indrukwekkend genoeg deed het dit met geen externe energiebron behalve zonlicht, wat betekent nul uitstoot van broeikasgassen of benodigde elektriciteit cdss.berkeley.edu. Dit is mogelijk omdat de MOF eerst waterdamp uit de koele nachtlucht adsorbeert; vervolgens verwarmt de zon overdag de MOF, waardoor het water als damp vrijkomt, dat wordt gecondenseerd tot vloeistof in een opvangbak. De MOF kan vele cycli werken zonder prestatieverlies en kan eenvoudig worden geregenereerd door te drogen, waardoor het een robuuste waterspons is voor langdurig gebruik cdss.berkeley.edu.
Het MOF dat in het nieuwste apparaat wordt gebruikt, is een aluminium-gebaseerd framework (genaamd MOF-303) dat een sterke affiniteit heeft voor water, maar het ook weer afgeeft bij gematigde temperaturen (~80 °C). Dit MOF is gekozen vanwege zijn uitzonderlijke prestaties: het kan water oogsten, zelfs onder extreem droge omstandigheden en is stabiel over duizenden cycli businesswire.com. Sterker nog, MOF-303 is met succes getest in Death Valley, wat het praktische gebruik in extreme omgevingen bevestigt businesswire.com. Tijdens tests behaalde het apparaat een waterterugwinning van ongeveer 85–90% van het geadsorbeerde water per cyclus cdss.berkeley.edu, wat betekent dat er zeer weinig van het opgevangen vocht verloren ging. Dr. Yaghi, die het onderzoek leidde dat werd gepubliceerd in Nature Water (juli 2023), benadrukte het belang: “Bijna een derde van de wereldbevolking leeft in gebieden met waterschaarste. De VN voorspelt dat tegen 2050 bijna 5 miljard mensen waterschaarste zullen ervaren… Dit is zeer relevant voor het aanboren van een nieuwe waterbron.” cdss.berkeley.edu Door gebruik te maken van het enorme reservoir van water in de atmosfeer (zelfs in woestijnen zit er wat vocht in de lucht), bieden MOF-apparaten een veelbelovende nieuwe waterbron die gedecentraliseerd en duurzaam is. In tegenstelling tot grote ontziltingsinstallaties (die elektriciteit en zeewater nodig hebben), kan een MOF-oogster een persoonlijk of dorpsapparaat zijn dat overal werkt waar lucht en zonlicht is.
Commerciële inspanningen zijn nu aan de gang om MOF-wateroogsters op te schalen. Verschillende startups, vaak in samenwerking met universiteiten, ontwikkelen de technologie verder. Volgens een recent marktrapport maken bedrijven zoals Water Harvesting Inc. (WaHa), AirJoule en Transaera gebruik van de superieure wateradsorptie-eigenschappen van MOF’s om de volgende generatie koel- en watersystemen te bouwen businesswire.com. Deze systemen kunnen naar verluidt tot 0,7 liter water per kilogram MOF per dag genereren, zelfs in droge omstandigheden businesswire.com – ongeveer het dubbele van de opbrengst van de eerste prototypes – dankzij verbeterde materialen en ontwerpen. Transaera bijvoorbeeld verwerkt MOF’s in ultrazuinig werkende airconditioners die niet alleen de lucht koelen, maar ook water verzamelen als extraatje (Transaera was finalist in de Global Cooling Prize). Een andere inspanning van AQUAml (verbonden aan MIT) gebruikt MOF’s voor persoonlijke waterflessen die zichzelf bijvullen uit luchtvochtigheid. Het feit dat MOF’s bij lage luchtvochtigheid kunnen werken, betekent ook dat ze kunnen worden ingezet voor passieve ontvochtiging in HVAC-systemen, waardoor koeling efficiënter wordt door de lucht te drogen zonder condensatiespiralen cas.org.
De MOF-wateroogster is een goed voorbeeld van hoe deze materialen kunnen bijdragen aan humanitaire behoeften en klimaatadaptatie. In gebieden met vervuilde waterbronnen kunnen MOF-apparaten veilig drinkwater leveren met minimale infrastructuur. Ze zijn bovendien modulair op te schalen – je kunt honderden MOF-units inzetten om een gemeenschap te ondersteunen, of één enkele unit voor een gezin. Onderzoekers voorzien zelfs zelfvullende waterflessen voor wandelaars en watergeneratoren voor troepen in het veld, allemaal aangedreven door MOF’s en zonlicht. Hoewel kosten en opschaling van de productie de volgende uitdagingen zijn, is de vooruitgang tot nu toe zeer veelbelovend. Zoals een artikel het verwoordde, zorgen MOF’s die water-uit-lucht-apparaten mogelijk maken ervoor dat het voelt als “chemie op het randje van magie”, waarbij iets zo ontastbaars als lucht wordt omgezet in een van de meest essentiële levensbehoeften. Nu klimaatverandering droogtes frequenter maakt, zouden zulke technologieën gamechangers voor waterzekerheid kunnen zijn en een inspirerende toepassing van geavanceerde materialen voor het maatschappelijk welzijn.
Andere opkomende toepassingen (katalyse, batterijen en meer)
Naast de bovenstaande hoofdtoepassingen tonen MOF’s hun veelzijdigheid in veel andere gebieden. Hun hoge oppervlak, afstembaarheid en het vermogen om actieve metalen of functionele groepen op te nemen, maken ze ideaal voor katalyse – het versnellen van chemische reacties. MOF’s kunnen zelf als katalysator dienen of als voorlopers van katalytische materialen. Zo zijn MOF’s met open metaalplaatsen gebruikt om CO₂ om te zetten in brandstoffen, en MOF-afgeleide materialen (zoals koolstofstructuren die metaal uit een MOF behouden) hebben uitstekende prestaties laten zien in elektrokatalyse (bijv. voor zuurstofreductie in brandstofcellen) cas.org. Uit één studie bleek dat met stikstof gedoteerde koolstofnanobuizen, afgeleid van een MOF, “verbeterde elektrokatalytische activiteit en stabiliteit” hadden voor water-elektrolyse in vergelijking met standaardkatalysatoren cas.org. Het vermogen om de atomaire structuur van een katalysator te ontwerpen via MOF’s (soms “nano-casting” genoemd) is zeer aantrekkelijk in de groene chemie en industriële processen.
MOF’s worden ook onderzocht voor gebruik in energieopslagapparaten. Onderzoekers testen MOF’s als elektrode-materialen in lithium-ionbatterijen, waarbij de poreuze structuur lithiumionen kan opnemen en mogelijk de capaciteit of laadsnelheid kan verbeteren cas.org. Sommige MOF’s (of hun derivaten) zijn onderzocht als supercondensatormaterialen voor snelle energieopslag cas.org. Hoewel de meeste MOF’s isolerend zijn, is er een nieuwe subklasse van geleidende MOF’s ontstaan, die elektronen kunnen transporteren en mogelijk gebruikt kunnen worden in elektronica of sensoren. Er worden zelfs MOF’s met intrinsieke magnetische of ferro-elektrische eigenschappen bestudeerd voor geavanceerde functionele apparaten.
Een ander gebied waar MOF-innovatie plaatsvindt, is gasscheiding en -zuivering in de chemische industrie. We hebben het al gehad over CO₂-afvang, maar MOF’s kunnen ook andere lastige scheidingen aanpakken – bijvoorbeeld het isoleren van propeen uit propaan (een cruciale stap in de productie van kunststoffen) of het verwijderen van onzuiverheden uit aardgas. Bedrijven zoals UniSieve hebben MOF-gebaseerde membranen ontwikkeld die werken als moleculaire zeven en energiezuinige scheidingen mogelijk maken. In één geval kon een MOF-membraan propeen tot 99,5% zuiverheid scheiden van propaan businesswire.com, wat een potentieel energiezuinig alternatief biedt voor destillatie (dat normaal gesproken enorme hoeveelheden energie verbruikt voor dergelijke scheidingen). Op vergelijkbare wijze worden MOF-filters onderzocht voor recycling van koelmiddelen, zuivering van industriële oplosmiddelen, en zelfs voor opruiming van kernafval (het vasthouden van radioactief jodium of xenon).
Op het gebied van elektronica en sensoren hebben onderzoekers MOF-gebaseerde dunne films gemaakt die selectief zijn voor bepaalde gassen, mogelijk om nieuwe soorten gassensoren of zelfs brandstofcelmembranen te creëren. Milieusanering is een andere niche – MOF’s kunnen verontreinigingen zoals PFAS (“forever chemicals”) uit water opvangen dankzij hun instelbare adsorptie, en sommige fotokatalytische MOF’s kunnen organische verontreinigingen onder invloed van licht afbreken.
Tot slot hebben MOF’s enkele speelse maar intrigerende potentiële toepassingen: wat dacht je van MOF-stoffen die geuren of chemische stoffen absorberen (voor beschermende kleding)? Of MOF-coatings in koelkasten om ethyleen te absorberen en voedsel langer vers te houden? Al deze ideeën worden getest. De bottom line is dat MOF’s een platformmateriaal vormen: net zoals polymeren of silicium talloze toepassingen vonden, zijn MOF’s een zwitsers zakmes in de materialenwereld. Zoals een marktanalyse het verwoordde: “De uitzonderlijke eigenschappen van MOF’s – waaronder recordbrekende oppervlaktes, instelbare poriën en aanpasbare chemie – maken oplossingen mogelijk voor enkele van de meest urgente uitdagingen van de samenleving.” businesswire.com Van schone lucht en water tot schone energie en gezondheid, MOF’s hebben hun stempel gedrukt op een breed scala aan innovaties.
Wereldwijd landschap: onderzoek, patenten en commercialisering wereldwijd
De opwinding rond MOFs is werkelijk wereldwijd. Na de eerste doorbraken in de VS (het werk van professor Yaghi aan UC Berkeley en UCLA) en Japan (de onafhankelijke MOF-ontdekkingen van professor Susumu Kitagawa in Kyoto), verspreidde het onderzoek zich snel over Noord-Amerika, Europa, Azië en daarbuiten. De Verenigde Staten blijven een krachtpatser op het gebied van MOF-innovatie, met toonaangevende universiteiten (Berkeley, MIT, Northwestern, enz.), nationale laboratoria en bedrijven die de grenzen verleggen. Verschillende Amerikaanse startups, vaak voortgekomen uit academische laboratoria, commercialiseren MOFs: NuMat Technologies (Illinois) richt zich op gasopslag en heeft zelfs MOF-uitgeruste gascilinders verkocht (de ION-X) die giftige gassen voor de halfgeleiderindustrie op een veiligere, subatmosferische manier opslaan businesswire.com. NuMat meldt ook een productiecapaciteit van ~300 ton/jaar aan MOFs in haar faciliteiten businesswire.com. Mosaic Materials in Californië (eerder genoemd voor CO₂-afvang) en Transaera (Massachusetts, voor koeling) zijn andere opmerkelijke Amerikaanse ondernemingen. Industriegigant BASF in Duitsland was een van de eersten die zwaar investeerde in MOFs; het schaalde de MOF-productie op in de jaren 2010 (en produceerde een koper-gebaseerde MOF in tonhoeveelheden) en heeft nu een meerhonderdton jaarlijkse capaciteit in Ludwigshafen businesswire.com. De MOF van BASF (verkocht onder de naam Basolite) wordt zelfs gebruikt in sommige commerciële producten, zoals hoogwaardige energiezuinige isolerende beglazing en chemische filters. Europa heeft een sterk academisch netwerk op het gebied van MOFs (bijvoorbeeld de EU organiseert conferenties zoals EuroMOF), en de Europese Unie heeft projecten gefinancierd zoals MOST-H2 (waterstofopslag) en AMADEUS (ammoniakopslag met MOFs) om toegepast onderzoek te versnellen.
China is de afgelopen tien jaar uitgegroeid tot een productieve bijdrager aan de MOF-wetenschap. In feite zijn Chinese onderzoekers volgens publicatiestatistieken verantwoordelijk voor een groot deel van de nieuwe MOF-artikelen en patenten – op gebieden van koolstofafvang tot medicijnafgifte. Een bibliometrische studie merkte op dat “China aanzienlijke bijdragen heeft geleverd en een leidende positie inneemt op het gebied van MOFs in kankeronderzoek” pmc.ncbi.nlm.nih.gov, om een voorbeeld te geven. Grote Chinese instellingen zoals Jilin University, Nankai University en de Chinese Academy of Sciences hebben speciale MOF-centra die alles onderzoeken van MOF-gebaseerde batterijen tot CO₂-naar-brandstof katalysatoren. De Chinese overheidsinzet voor koolstofneutraliteit in 2060 heeft de interesse in MOFs voor decarbonisatietechnologieën aangewakkerd. Hoewel China misschien nog niet zoveel wereldwijd bekende MOF-startups heeft, is er een sterke samenwerking tussen industrie en academie. Opvallend is dat China vooroploopt in MOF-gebaseerde methaanopslag voor voertuigen (een gebied waar met adsorbens gevulde tanks aardgasvoertuigen in staat kunnen stellen meer brandstof op lagere druk op te slaan) en wordt er onderzoek gedaan naar MOFs voor het opvangen van industriële emissies binnen de nationale CCUS-programma’s.
Ook andere regio’s zijn actief: Japan blijft bijdragen (met onderzoek van pioniers als Kitagawa en recenter werk aan geleidende MOFs), Zuid-Korea heeft bedrijven zoals framergy (dat samenwerkt met internationale groepen om MOFs te commercialiseren), en Australië huisvest het ARC Centre of Excellence in Exciton Science dat kijkt naar MOFs voor sensoren en fotokatalyse. In het Midden-Oosten is Saudi-Arabië’s KAUST een centrum voor MOF-onderzoek (ze hebben patenten aangevraagd op MOF-koolstofafvang, zoals vermeld) cas.org, en landen als Verenigde Arabische Emiraten en Qatar zijn geïnteresseerd in MOFs voor waterontzilting en gasscheiding, passend bij hun behoeften.
Belangrijk is dat de ontwikkeling van MOF’s niet langer beperkt is tot het laboratorium. Patenten en commerciële producten nemen toe. Een analyse door Chemical Abstracts Service eind 2024 benadrukte dat hoewel MOF-publicaties een enorme groei doormaken, “de groei van octrooipublicaties suggereert dat een bredere commercialisering van deze technologie aanstaande is.” cas.org Met name zag CAS aanzienlijke octrooi-activiteit in decarbonisatie-gerelateerde toepassingen (koolstofafvang, energie, gasopslag) en ook in gebieden zoals schoon water en sensoren cas.org. Dit geeft aan dat bedrijven en instituten MOF-gebaseerde innovaties beschermen terwijl ze zich voorbereiden op toepassing in de echte wereld. In 2024 waren slechts een handvol MOF-gebaseerde producten volledig op de markt gebracht businesswire.com – voorbeelden zijn onder andere Svante’s CO₂-filters, NuMat’s gascontainers, enkele niche-luchtzuiveringsapparaten en een lijn MOF-gebaseerde vochtregulerende verpakkingen. Maar we lijken op een kantelpunt te staan. “De wereldwijde MOF-markt maakt momenteel een cruciale overgang door van academisch onderzoek naar industriële toepassing,” merkt een rapport van ResearchAndMarkets op, dat voorspelt dat de sector hierna jaarlijks met ongeveer 30% zal groeien businesswire.com. Tegen 2035 zouden MOF-toepassingen een markt van meerdere miljarden dollars kunnen zijn, vooral gedreven door koolstofafvang, waterstofopslag, waterwinning en chemische scheidingen businesswire.com.
De productiekant schaalt ook op: ongeveer 50 bedrijven wereldwijd produceren nu MOFs, hoewel een groot deel van de capaciteit geconcentreerd is bij een paar spelers (zoals BASF en NuMat) businesswire.com. De uitdagingen waarmee zij te maken hebben zijn onder andere het opschalen van de productie van laboratoriumgrammen naar industriële tonnen terwijl de kwaliteit behouden blijft, en dit op een kosteneffectieve manier doen businesswire.com. Bemoedigend is dat er vooruitgang wordt geboekt – de kosten dalen naarmate de technieken verbeteren, en bedrijven hebben continue productiemethoden ontwikkeld (in tegenstelling tot langzame batchsynthese) om MOFs in grotere hoeveelheden te maken businesswire.com. Zo gebruikt Promethean Particles in het VK een flowreactor om MOFs en andere nanomaterialen te produceren, en biedt novoMOF in Zwitserland contractproductie van MOFs op schaal aan. Deze ontwikkelingen impliceren dat als er een grote vraag ontstaat (bijvoorbeeld duizenden tonnen voor koolstofafvanginstallaties), de aanbodzijde klaar zal zijn om hieraan te voldoen.
Internationale samenwerking is ook duidelijk zichtbaar: wetenschappers uit verschillende landen schrijven vaak samen MOF-publicaties, en er zijn wereldwijde conferenties (bijv. MOF2023 in Melbourne, MOF2024 in Vancouver) die de gemeenschap samenbrengen. Dit helpt om best practices te verspreiden en dubbel werk te voorkomen, gezien de enorme chemische ruimte van MOFs.
Vooruitzicht: Waarom MOFs Belangrijk Zijn voor een Duurzame Toekomst
Zoals we hebben gezien, bevinden MOFs zich op het snijvlak van geavanceerde materiaalkunde en het oplossen van praktische problemen. Ze worden vaak geprezen als een “game-changer” voor duurzaamheid omdat ze processen mogelijk maken die voorheen onhaalbaar of inefficiënt waren. Koolstofafvang is daar een goed voorbeeld van – door het minder energie-intensief te maken om CO₂ te verwijderen, zouden MOFs een bredere toepassing van koolstofafvang bij energiecentrales en fabrieken mogelijk kunnen maken, wat de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk vermindert. Schone energieopslag is een ander voorbeeld: MOFs zouden waterstof (en misschien ook andere gassen zoals methaan) eindelijk praktisch kunnen maken als schone brandstoffen door het opslagprobleem op te lossen. Op het gebied van schoon water creëren MOFs letterlijk water uit lucht of zuiveren ze goedkoop water, waarmee ze schaarste en vervuiling aanpakken zonder grote infrastructuur. In de gezondheidszorg bieden MOFs hoop voor gerichte medicijnafgifte en gevoelige diagnostiek, wat mogelijk levens kan redden met slimmere therapieën. En in de industriële chemie bieden MOFs energiezuinigere scheidings- en katalytische processen, wat de ecologische voetafdruk van de productie van alledaagse chemicaliën kan verkleinen.Het is zeldzaam dat één materiaalklasse zoveel sectoren beïnvloedt – en daarom worden MOFs vaak vergeleken met “het nieuwe silicium” of “het nieuwe plastic” qua transformerend potentieel. Ze vertegenwoordigen een nieuwe manier om materialen van onderaf met precisie op te bouwen (waardoor ze op moleculair niveau worden vergeleken met LEGO of Tinkertoys). Deze reticulaire ontwerpbenadering was enkele decennia geleden vooral theoretisch; nu is het een praktische gereedschapskist die wereldwijd door chemici en ingenieurs wordt omarmd.
Experts denken dat we op het punt staan dat MOFs van laboratoriumcuriositeiten veranderen in alomtegenwoordige werkpaarden die in allerlei technologieën zijn ingebed. “Met al hun potentiële toepassingen zorgen MOFs voor belangrijke doorbraken in enkele van onze meest uitdagende wetenschappelijke gebieden,” schreef een analist van de ACS, eraan toevoegend dat verbeteringen in AI en machine learning het screenen van MOFs versnellen, “wat betekent dat meer doorbraken en commerciële toepassingen nabij kunnen zijn.” cas.org De tijdlijn voor de doorbraak van MOFs op de markt wordt al korter: waar het eerste MOF in 1995 werd gemaakt, duurde het tot de jaren 2020 voordat de eerste commerciële toepassingen verschenen, maar we zouden de komende jaren tientallen MOF-gebaseerde producten kunnen zien. Grote bedrijven letten goed op – olie- en gasbedrijven kijken naar MOFs voor schonere verwerking, technologiebedrijven zien MOFs als luchtfilters in datacenters, en autofabrikanten zijn geïnteresseerd in MOF-waterstoftanks en CO₂-filters voor de lucht in de cabine.
Wereldwijd sluit de steun voor MOF-onderzoek en -implementatie aan bij urgente prioriteiten zoals klimaatactie, duurzame ontwikkeling en geavanceerde productie. Overheden en investeerders financieren MOF-startups en pilotprojecten, omdat ze erkennen dat deze materialen hun land een concurrentievoordeel kunnen geven op het gebied van schone technologie. In de VS en Europa komen MOF’s voor in routekaarten voor koolstofafvang en waterstofopslag. China’s nieuwste vijfjarenplannen leggen de nadruk op nieuwe materialen en duurzaamheid – precies de gebieden waarin MOF’s uitblinken. Ook internationale organisaties zijn betrokken: zo werd MOF-gebaseerde koolstofafvang uitgelicht op recente CCUS-conferenties decarbonfuse.com, en is MOF-waterwinning besproken in media zoals BBC en Scientific American, waardoor deze innovaties publieke aandacht krijgen.
Natuurlijk blijven er uitdagingen bestaan. De productiekosten en opschaalbaarheid moeten verder worden verbeterd (hoewel, zoals opgemerkt, er op dat vlak aanzienlijke vooruitgang wordt geboekt businesswire.com). De langetermijnstabiliteit van MOF’s onder reële omstandigheden (blootstelling aan onzuiverheden, veelvuldig cycleren) moet per geval worden aangetoond. En elke toepassing moet de concurrentie aangaan met andere technologieën (bijvoorbeeld: kan MOF-koolstofafvang concurreren met nieuwe oplosmiddel- of membraansystemen? Kunnen MOF-waterwinapparaten beter presteren dan traditionele ontzilting op grote schaal?). Deze vragen zullen de komende jaren worden beantwoord via demonstratieprojecten en economische analyses. De eerste signalen zijn bemoedigend: waar MOF’s uitblinken, blinken ze echt uit – ze bieden mogelijkheden die niet worden geëvenaard door alternatieven (bijvoorbeeld: geen enkel ander materiaal kan zo efficiënt water opvangen bij 10% luchtvochtigheid, of zoveel waterstof opslaan in zo’n lichtgewicht vorm).
Tot slot illustreren MOF’s de kracht van chemische innovatie om wereldwijde uitdagingen aan te pakken. Ze begonnen als een curiositeit in scheikundelaboratoria en zijn uitgegroeid tot een platform met het potentieel om de industrie schoner te maken, energie duurzamer en hulpbronnen zoals water toegankelijker. De wereldwijde inspanning om MOF’s te ontwikkelen – van Amerikaanse startups tot Chinese universiteiten, Europese onderzoeksconsortia tot laboratoria in het Midden-Oosten – onderstreept een gedeeld optimisme in deze materialen. Zoals één rapport het kernachtig verwoordde, maken MOF’s de overstap van “wetenschappelijke curiositeit naar commerciële realiteit,” en lossen ze problemen op in koolstofafvang, water, energie en meer businesswire.com. Als de huidige trends zich voortzetten, werken MOF’s binnenkort misschien stilletjes achter de schermen in veel aspecten van het dagelijks leven, en helpen ze een groenere en meer geavanceerde wereld te realiseren. De volgende keer dat je een slok water neemt in de woestijn, in een waterstofauto rijdt of schonere lucht inademt in een stad, zou een metaal-organisch raamwerk daar zomaar de reden van kunnen zijn.
Bronnen: Recent onderzoek en deskundig commentaar over MOF’s zijn afkomstig uit toonaangevende wetenschappelijke tijdschriften, persberichten van universiteiten en industrieel rapporten, waaronder Science news.berkeley.edu, Nature Water cdss.berkeley.edu, ACS Publications acs.org, Berkeley News news.berkeley.edu, CAS Insights (ACS) cas.orgcas.org, Businesswire releases businesswire.com, CORDIS (EU) cordis.europa.eu, en marktanalyse businesswire.com, onder andere. Deze bronnen benadrukken de consensus dat MOF’s een doorbraakplatform zijn in de materiaalkunde, met een snel groeiende impact in de praktijk.