Die Grenzen derzeitiger Geräteleistungen durch revolutionäre Trenntechnik sprengen – so lautet das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens „2DPolyMembrane“, Xinliang Feng vom MPI Halle, Thomas Heine von der TU Dresden sowie Grégory Schneider von der Universität Leiden, Niederlande, in den kommenden sechs Jahren gemeinsam arbeiten werden. Ultradünne 2D-Polymer-Heterostruktur-Membranen (2DHMs) sollen das ermöglichen. Dieses ambitionierte, interdisziplinäre Projekt wird mit einem renommierten Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 10 Millionen Euro gefördert.

Trennverfahren sind in unserem täglichen Leben unverzichtbar, von der Arzneimittelentwicklung und –reinigung, der Reinigung von Abwässern oder der Trennung des Stofftransports in Brennstoffzellen. Diese großindustriellen Verfahren verbrauchen jedoch aufgrund der Dicke der Membranen und der zufälligen Bewegung der Partikel viel Energie.

Mit dem Projekt „2DPolyMembrane“ möchte das Forschungskonsortium nun den Grundstein für die nächste Generation von Membrantechnologien legen und gemeinsam einen echten „Gamechanger“ der Trenntechnik entwickeln. „Es ist uns gelungen, ultradünne, also nur 10-50 Nanometer dicke, Membrane zu entwickeln, die herkömmlicher Technologie in Selektivität und Effizienz deutlich überlegen sind. Neben einer gesteigerten Energieeffizienz erlauben sie eine Separation auch von ähnlichen Partikeln, beispielsweise von Wasserstoffisotopen.“, erläutert Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden. „Dazu verwenden wir unsere neu entwickelten 2D-Polymer-Heterostrukturen, die atomar präzise trichterförmige Poren mit elektrostatischen Gradienten enthalten.“

2DHMs versprechen revolutionäre Eigenschaften, die sie ideal für den selektiven und unidirektionalen Ionentransport machen: sie sind extrem dünn, haben eine präzise Porengröße und eine hohe Funktionalität. „Wir werden unser komplementäres Fachwissen in den Bereichen Theorie und Vorhersage, chemisches Design und Synthese auf Wasser- und Flüssigkeitsoberflächen sowie In-situ-Ionentransportuntersuchungen kombinieren, um robuste 2DHMs zu entwickeln“, berichtet Xinliang Feng, Professor für Molekulare Funktionsmaterialien an der TU Dresden und Direktor am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle.

„Jede Forschungsgruppe bringt einzigartige Fachkenntnisse mit - von der Entwicklung chemisch präziser Nanoporen und der Vorhersage ihrer Selektivität für bestimmte Ionen bis hin zur Untersuchung des Ionentransports in engen Räumen. Das Projekt verbindet chemische Materialsynthese, Theorie und Nanowissenschaften“, fasst Grégory Schneider von der Universität in Leiden, Niederlande, den synergetischen Charakter des Projekts zusammen. Gemeinsam wollen sie ultradünne, nanoporöse Membranen entwickeln, die neue Membrankonzepte und noch nie dagewesene Leistung für Energiegeräte wie Brennstoffzellen, osmotische Stromgeneratoren und Batterien ermöglichen.

© TUD

Thomas Heine:
Thomas Heine ist seit 2018 Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden und Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Seit 2023 ist er Gastprofessor am Center for Advanced Systems Understanding CASUS in Görlitz, dem HZDR-Institut für datenintensive Systemforschung. Seine Forschung im Bereich der theoretischen Materialwissenschaft konzentriert sich auf die Entwicklung von auf der Dichtefunktionaltheorie basierenden und topologischen Methoden, deren Anwendungen von Gerüststrukturen (MOFs, COFs usw.) über anorganische 2D-Materialien und Metalloxid-Nanopartikel bis hin zur rechnerischen Spektroskopie von organischen und anorganischen Molekülen reichen.

© Peng Zhang / TU Dresden

Xinliang Feng

Xinliang Feng ist ein chinesischer Chemiker, Wissenschaftler und Hochschullehrer mit Schwerpunkt 2D-Materialien, speziell Graphen. Seit 2014 ist er im Rahmen des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) Professor für Molekulare Funktionsmaterialien an der Technischen Universität Dresden und seit 2021 Direktor der Abteilung Synthetic Materials and Functional Devices am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle (Saale). Er ist der Koordinator von 2DPolyMembrane.

https://www.mpi-halle.mpg.de/person/111605/512682

© Leiden Institute of Chemistry

Grégory Schneider

Grégory Schneider ist außerordentlicher Professor und Gruppenleiter am Institut für Chemie der Universität Leiden, Niederlande. Sein Forschungsinteresse gilt der Erforschung der Rolle der Chemie bei der Entwicklung von Sensoren, Nanogeräten, Nanoporen und ultradünnen Membranen.

https://www.universiteitleiden.nl/en/staffmembers/gregory-schneider

ERC Synergy Grants:

Der Europäische Forschungsrat ist – gegründet von der Europäischen Kommission – eine Institution zur Finanzierung von herausragender Grundlagenforschung. Mit den Synergy Grants fördert das ERC Teams von zwei bis vier Wissenschaftler:innen an unterschiedlichen Standorten. Damit werden Projekte unterstützt, die durch die interdisziplinäre Zusammenarbeit zu „Fortschritten an den Grenzen des Wissens führen“. Die Auszeichnung ist mit einer Förderung von bis zu zehn Millionen Euro über einen Zeitraum von sechs Jahren verbunden. Für die aktuelle Ausschreibung hat das ERC 548 Anträge erhalten. 57 Projekte wurden für eine Förderung ausgewählt. Für sie schüttet der Europäische Forschungsrat 571 Millionen Euro aus. https://erc.europa.eu/apply-grant/synergy-grant

Kontakt:

Prof. Dr. Thomas Heine
Technische Universität Dresden
Professur für Theoretische Chemie
Tel.: +49 351 463-37637
E-Mail: