Nano

Ingenieure der Universität Wien haben ein neues Verbundmaterial entwickelt, das einen effizienten Filter zur Entfernung organischer Schadstoffe aus Wasser ermöglicht. Das System verwendet superporöse „Nanoschwämme“, die in eine Graphenschicht eingebettet sind.

Der Schlüssel zu den neuen Filtern ist eine Materialklasse, die als kovalente organische Gerüste (COFs) bezeichnet wird. Diese Strukturen sind extrem porös, was ihnen eine riesige Oberfläche auf kleinem Raum verleiht, was bedeutet, dass sie große Mengen an Molekülen effektiv festhalten können. Verwandte Materialien, die als metallorganische Gerüste (MOFs) bekannt sind, werden für den Einsatz bei der Kohlenstoffabscheidung, der Entsalzung oder der Gewinnung von Trinkwasser aus der Luft untersucht, und COFs könnten ähnliche Funktionen haben.

Für die neue Studie konzentrierten sich die Forscher auf die Verwendung eines COF zur Entfernung organischer Farbstoffe aus Wasser. Diese Chemikalien sind ein häufiger Schadstoff in Industrieabwässern und können giftig und krebserregend sein – ganz zu schweigen davon, dass sie schwer zu entfernen sind.

Das Team hat den COF so optimiert, dass er organische Farbstoffmoleküle selektiv erfasst. Dazu müssen die Poren auf die richtige Form und Größe gebracht werden – zwischen 0,8 und 1,6 Nanometer – und der Oberfläche eine negative Ladung verliehen werden, um die positiv geladenen Farbstoffmoleküle anzuziehen.

Aber es gab noch eine weitere Hürde zu überwinden. Wenn das Material in Pulverform verwendet wird, füllen sich zuerst die Poren an den Außenkanten mit Molekülen, während die Poren in der Mitte leer und praktisch unbrauchbar bleiben. Deshalb entwickelte das Team eine Möglichkeit, den COF zu verteilen, indem er ihn auf einer Graphenschicht wachsen ließ.

Das Endergebnis war eine zwei Nanometer dicke COF-Schicht auf einer Einzelatomschicht aus Graphen, was die maximale Kapazität des Materials zur Aufnahme organischer Farbstoffmoleküle erhöhte. Das Graphen selbst hat ziemlich große Poren, so dass das Wasser schnell hindurchfließen kann, während das COF seine Arbeit verrichtet.

„Die großen Poren des Graphen-Netzwerks in Kombination mit der ultradünnen COF-Schicht und ihrer Vielzahl an Adsorptionsstellen ermöglichen daher eine besonders schnelle und effiziente Abwasserbehandlung“, so die Forscher.

Laut dem Team soll die Technik auch recht kostengünstig sein. Es muss nicht viel Graphen verwendet werden und der COF kann gereinigt und wiederverwendet werden.

Die Forschung wurde in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Quelle: Universität Wien