Ultradünne Graphen-Membranen für Filtration und Separation
Membranen zur Filtration und Separation von Flüssigkeiten und Gasen sind eine wichtige Technologie in verschiedenen Branchen, von der Trinkwasserversorgung, der Medizintechnik, der Halbleitertechnik über Sportbekleidung bis zur Petrochemie. Die an der ETH Zürich entwickelten Graphen-Membranen versprechen eine energieeffizientere Separation.
ETH Pioneer Fellow Karl-Philipp Schlichting sprach kürzlich mit uns über die neue Graphen-Membrantechnologie.
Wie funktioniert die Graphen-Technologie?
Herkömmliche Membranlösungen haben oft einen Nachteil: ihren eher langsamen Fluidtransport, der sie teuer macht. Im Gegensatz dazu sind Graphen-Membranen effizient und effektiv.
Graphen ist eine atomar dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem Kristallgitter verbunden sind. Diese einzelne Schicht befindet sich an der physikalischen Grenze der «Dünnheit» (0,3 Nanometer) und ist zu etwa 97 % transparent - also mit blossem Auge kaum sichtbar. Das Graphen selbst ist eine perfekte Barriere und lässt nichts durch. Um es in eine Membran zu verwandeln, müssen winzige Löcher in das Graphen eingebracht werden. Der Transport von Substanzen durch diese Löcher ist äusserst effizient, da der Weg von einer Seite zur anderen sehr kurz ist. Das Material ist thermisch und mechanisch sehr stabil, flexibel und dehnbar und kann auch extremen chemischen Umgebungen standhalten. Je nach Anwendung sind diese Eigenschaften entscheidend.
Was ist die Herausforderung bei der Entwicklung von Graphen-Membranen und wie haben Sie diese gemeistert?
Um Graphen in eine funktionale Membran zu verwandeln, müssen wir eine hohe Dichte an gleichgrossen Löchern im Kristallgitter erzeugen. Ein Teil meiner Doktorarbeit war die Entwicklung dieses Prozesses. In diesem zum Patent angemeldeten Verfahren erzeugen wir in einem ersten Schritt atomar kleine Defekte, die die Anzahl der Löcher definieren. In einem zweiten Schritt entfernen wir nach und nach Atome rund um die Defekte und lassen so die Löcher wachsen. Mit dieser Methode können wir die Anzahl der Löcher und ihre durchschnittliche Grösse separat steuern.
Was sind die Hauptanwendungen?
Die Graphen-Membrantechnologie ermöglicht die Trennung von Gasen und Flüssigkeiten mit einem breiten Anwendungsspektrum - zum Beispiel bei der Meerwasserentsalzung, wo die Membranen zur Filterung von Salzionen eingesetzt werden. Sie wird auch zur Filterung von Trinkwasser eingesetzt, um Nanopartikel zu entfernen. Ausserdem arbeiten wir an Lösungen für die Mikroelektronik, die Medizintechnik und die Pharmaindustrie, die alle unbelastetes, hochreines Wasser benötigen.
Zusätzlich untersuchen wir Anwendungen für Graphenmembranen in der Hämodialysebehandlung. Heutige Dialysemembranen müssen einen Kompromiss zwischen Selektivität und Durchsatz eingehen, was die Behandlung suboptimal macht. Unsere Membranen können dies ändern und die Behandlung effektiver und effizienter machen. Sie sind auch vielversprechend für die Gastrennung in der chemischen Industrie, die je nach Gas energieintensiv sein kann. Schliesslich können Graphenmembranen auch für Funktionskleidung, z. B. Regenjacken, eingesetzt werden. Sie ist atmungsaktiv, wasserdicht und - ganz wichtig - frei von den Fluorpolymeren, die zum Beispiel im Gore-Tex-Material enthalten sind (siehe auch ETH News for Industry, Dimpora).
Ist die Technologie bereits im Einsatz?
Während die Membrantechnologie im Allgemeinen schon seit einiger Zeit im Einsatz ist, ist die Graphen-Membrantechnologie sehr neu und wird noch nicht kommerziell eingesetzt. Während meines Pioneer Fellowship Programms an der ETH Zürich evaluiere ich, welche Anwendungen verfolgt werden sollen.
Was sind Ihre Pläne für die Zukunft?
Ich spreche derzeit mit potenziellen Kunden und Anwendern aus verschiedenen Branchen. Sie alle haben sehr unterschiedliche Anforderungen. Das Ziel ist es, Geschäftspartner zu finden, die die Technologie nutzen möchten. Ausserdem spreche ich mit Risikokapitalgebern, um die nächste Finanzierungsrunde und die Gründung eines Unternehmens vorzubereiten.
Karl-Philipp Schlichting (Quelle: ETH Zürich)
Kontakt/Links:
Sind Sie interessiert an weiteren spannenden "News for Industry" Storys?
externe SeiteAbonnieren Sie unseren Newsletter
externe SeiteFolgen Sie uns auf LinkedIn
Suchen Sie Forschungspartner an der ETH Zürich?
Kontaktieren Sie ETH Industry Relations
ETH Spin-offs: Zahlen und Fakten:
Seit 1996 wurden an der ETH Zürich 471 Spin-offs gegründet. ETH transfer, die Technologietransferstelle der ETH Zürich, unterstützt anerkannte ETH-Spin-offs im Gründungsprozess und in den ersten Jahren ihrer Tätigkeit.
Pioneer Fellowships
Mit Hilfe des von der ETH Foundation finanzierten Pioneer-Fellowship-Programms können junge Forschende auf der Basis ihrer wissenschaftlichen Arbeit an der ETH Zürich innovative Produkte und Dienstleistungen entwickeln. Ein Pioneer Fellowship wird an junge ETH-Unternehmerinnen und -Unternehmer vergeben, die ein besonders innovatives Produkt oder eine Dienstleistung entwickeln wollen, das/die kommerziell und/oder zum Nutzen der Gesellschaft eingesetzt werden soll.