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Aug 15, 2023

Den Klimawandel mit Hilfe von „Kaffeefiltern für Moleküle“ bekämpfen

Luis Francisco Villalobos kommt zu USC Viterbi und bringt Fachwissen in der Trenntechnologie für die Energiewende und Wasserfiltration mit. Luis Francisco Villalobos schafft atomar dicke Nanoporen

Luis Francisco Villalobos kommt zu USC Viterbi und bringt Fachwissen in der Trenntechnologie für die Energiewende und Wasserfiltration mit.

Luis Francisco Villalobos stellt atomdicke nanoporöse Molekularfilter her, indem er Poren in eine Schicht aus Graphengitter ätzt – eine superdünne Kohlenstoffschicht mit einer präzisen hexagonalen Struktur. Bild/Joseph G. Manion und Luis Francisco Villalobos.

Separationstechnik ist etwas, das viele von uns brauchen, um diesen Tag zu meistern. Jeden Morgen entfaltet unser bewährter Kaffeefilter seine magische Wirkung, indem er den Kaffeesatz trennt und Wasser in die kräftige Dosis flüssiger Energie umwandelt, die wir zum Funktionieren benötigen.

Luis Francisco Villalobos interessiert sich dafür, wie dieser Prozess mithilfe fortschrittlicher Membranen aus energieeffizienten Materialien auf atomarer Ebene genutzt werden kann. Diese hochmodernen Membranen können unsere Trinkwasserversorgung sichern, wertvolle Elemente aus Abfallprodukten einfangen und den Übergang zu sauberer Energie unterstützen.

Im Januar tritt er als Assistenzprofessor in die Mork Family-Abteilung für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften ein und erweitert die Kapazität der Abteilung im Bereich der Trenntechnologie, um die Wasserfiltration und Techniken zur Schadstoffminderung wie die Kohlenstoffabscheidung zu unterstützen.

Villalobos sagte, dass die Hälfte der von der chemischen Industrie aufgewendeten Energie in den industriellen Prozess der Trennung fließt.

„Meiner persönlichen Ansicht nach wird diese Zahl nur zunehmen, weil kritische Materialien – wie Wasser, Lithium, Nickel und andere Metalle – so stark beansprucht werden, dass wir bessere Trenntechnologien benötigen, damit wir ihre Rückgewinnung maximieren können“, sagte er.

Villalobos hofft, diesen kohlenstoffintensiven Trend umzukehren, indem es superdünne Membranen mit stark kontrollierten Materialeigenschaften entwickelt, um einen energieeffizienten und modularen Trennprozess zu schaffen.

„Es ist wie ein Kaffeefilter – der Filter lässt das Wasser durch, hält aber die Kaffeekörner zurück. Das ist eine Trennung, die wir sehen können. Aber die Trennung, die ich anstrebe, liegt auf molekularer Ebene – die Trennung eines Moleküls von einem anderen in einem Strom“, sagte Villalobos.

Eine der häufigsten industriellen Anwendungen der molekularen Trennung ist die Umkehrosmosemembran zur Wasserentsalzung und -filtration. Villalobos entwickelt Technologien für diese Anwendung sowie für die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung und die Rückgewinnung wertvoller Materialien aus Abfallflüssigkeiten wie Sole, Minenrückständen und produziertem Wasser – dem natürlich vorkommenden Salzwasser, das als Abfall aus der Erde austritt Produkt aus der Öl- und Gasförderung.

„Wir nehmen einen Abfallstrom und extrahieren daraus etwas Wertvolles, damit wir die Verfügbarkeit dieser Ressourcen verbessern können, die mit der Zeit immer knapper werden“, sagte Villalobos.

Ein wichtiges Beispiel für ein in Abfallströmen verfügbares Produkt ist Lithium – ein immer wichtiger werdendes Material für Elektronik und Batteriespeicher. Lithium ist im Ozean reichlich vorhanden und dennoch nur sehr schwer energieeffizient zu gewinnen.

„Wir müssen bessere Wege finden, Lithium aus bekannten Quellen zu gewinnen, aber auch andere Quellen finden, aus denen wir es traditionell nicht gewinnen“, sagte Villalobos. „Produziertes Wasser stammt aus Ölreservoirs und sie müssen etwas damit machen. Beim Durchdringen von Gesteinen in der Erde enthält es viele Metalle, darunter auch Lithium. Das ist also eine mögliche Quelle.“

Assistenzprofessor am Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science Luis Francisco Villalobos.

Die hochmoderne Membrantechnologie, die Villalobos entwickelt, ist als atomar dicker nanoporöser Molekularfilter bekannt. Er arbeitet mit Graphen, einer Kohlenstoffschicht von der Dicke eines einzelnen Atoms, die perfekt in einem sechseckigen Muster angeordnet ist. Eine makellose Graphenschicht hat eine sehr dichte Atomstruktur, die den Durchgang von Molekülen nicht zulässt.

„Aber wenn es uns gelingt, viele präzise Löcher in diese atomdicken Materialien zu bohren, können wir sehr energieeffiziente Membranen herstellen“, sagte Villalobos. „Normalerweise ist die Energie, die wir aufwenden müssen, um Moleküle von einer Seite einer Membran zur anderen zu bewegen, proportional zur Dicke unserer Membran. Diese Materialien sind so dünn wie es nur geht.“

Die Poren können geätzt werden, indem das Graphengitter einem Wirkstoff ausgesetzt wird – normalerweise einem Molekül auf Sauerstoffbasis wie Ozon. Dieses Mittel reagiert mit dem Graphengitter und ätzt eine Nanopore.

Villalobos sagte, dass atomdicke Nanoporenmembranen für Forschung und Industrie attraktiv seien, da Graphen ein sehr stabiles Material sei, das rauen chemischen Umgebungen standhalten und verschiedene Trennungsherausforderungen bewältigen könne.

„Da wir die Poren kontrollieren, können wir eine bestimmte Ätzung für eine bestimmte Trennung durchführen“, sagte Villalobos. „Wenn wir beispielsweise Lithium aus Sole gewinnen wollen, können wir Nanoporen ätzen, die Lithium durchlassen, die anderen im Strom vorhandenen Moleküle jedoch abweisen.“

Villalobos wird untersuchen, wie die Wirksamkeit des Nanoporenätzens in der Graphenmembran verbessert werden kann, indem die Konzentration des Ozonwirkstoffs variiert und gleichzeitig die Temperatur des Materials kontrolliert wird. Ziel ist es, Membranporen mit noch höherer Dichte zu bohren und die Porengröße besser zu kontrollieren.

Villalobos sagte, er sei schon immer ein neugieriger Mensch gewesen. Er wurde ursprünglich dazu inspiriert, die Wunder der Membrantrennung zu erforschen, als er zum ersten Mal sah, wie Umkehrosmosesysteme Salzwasser in trinkbares Süßwasser umwandeln können.

„Bis jetzt verstehen wir nicht ganz, warum sie so gut funktionieren – warum sie es schaffen, Wasser passieren zu lassen und alle im Meerwasser vorhandenen Ionen abzustoßen“, sagte Villalobos. „Als ich dieses Beispiel in einer meiner Vorlesungen während meines Masterstudiums sah, war ich fasziniert davon, wie man diese Filter herstellt, die Moleküle trennen können. Von da an ist es Geschichte. Ich arbeite jetzt seit mehr als zehn Jahren mit Membranen.“

Villalobos kommt von der Yale School of Engineering and Applied Science an die USC Viterbi, wo er Postdoktorand des Schweizerischen Nationalfonds war. Zuvor war er Postdoktorand an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz. Er erhielt seinen Ph.D. Er hat einen MS-Abschluss in Chemieingenieurwesen von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien und einen BS-Abschluss von der Universidad Nacional Autónoma de México.

Villalobos wird bald sein Forschungslabor in der Mork Family Department einrichten, wo er auch Einführung in Trennungsprozesse unterrichten wird. Villalobos sagte, die Einstellung und Betreuung seiner ersten Forschungsstudenten werde ein wichtiger Höhepunkt sein.

„Eine Sache, die mich an der Abteilung sehr reizt, ist die Tatsache, dass sie Materialwissenschaft mit Chemieingenieurwesen verbindet, denn das, was ich vorschlage, liegt wirklich zwischen diesen beiden Bereichen“, sagte Villalobos.

„Ich liebe es, aus einem bestimmten Grund zu forschen. Ich bin begeistert von den Anwendungen, auf die wir abzielen, um einen Unterschied zu machen und den Energieaufwand für Trennungen zu verringern. Ich freue mich sehr, dass ich mit Experten beider Bereiche zusammenarbeiten kann, um die Entwicklung von Membranen der nächsten Generation voranzutreiben, die diese Herausforderungen bewältigen können“, sagte Villalobos.

Veröffentlicht am 31. August 2023

Zuletzt aktualisiert am 31. August 2023