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Ionische Flüssigkeiten - Das Salz in der Suppe

© Fraunhofer INT

Flüssigsalzgemische als vielversprechender Faktor bei der Übertragung und Speicherung von Energie in thermischen Prozessen, beispielsweise bei solarthermischen Kraftwerken.

Ionische Flüssigkeiten und Flüssigsalze werden bereits seit einiger Zeit mit steigender Aufmerksamkeit erforscht. Dabei zeichnen sich drei große Anwendungsfelder im Bereich der Sensor- und Aktorwerkstoffe, als Medium zur Speicherung und zum Transport von Energie und als Reaktionsmedium zur Herstellung von bio-basierten Plattformchemikalien ab. Plattformchemikalien sind in großem Maßstab industriell hergestellte Chemikalien, die als Ausgangsmaterial für viele andere Industrieprodukte verwendet werden.

Unter ionischen Flüssigkeiten (Ionic Liquids, IL) versteht man grundsätzlich hochkonzentrierte, wässrige Salzlösungen oder auch Salze in flüssigem Zustand (Molten Salts, MS), die hauptsächlich aus positiv und negativ geladenen Ionen bestehen. Zu der überwiegenden Zahl an IL, die bei niedrigen Temperaturen (unter 100 °C) flüssig sind, gehören organische Salze. Um auch bei anorganischen Salzen die Schmelztemperatur unter 100 °C zu senken, kommen überwiegend sogenannte eutektische Mischungen aus unterschiedlichen anorganischen Salzen zum Einsatz.

IL und MS besitzen gegenüber konventionellen Flüssigkeiten ein paar besondere Eigenschaften. Dazu zählen ein vernachlässigbarer Dampfdruck, eine hohe thermische und elektrochemische Stabilität, eine hohe Ionenleitfähigkeit sowie ein signifikantes Lösevermögen für organische, anorganische und polymere Stoffe. Aus diesen Gründen werden sie als vielversprechende, umweltverträgliche und vor allem maßschneiderbare Alternative zu flüchtigen, organischen Lösemitteln gesehen. Aufgrund der REACH-Verordnung müssen diese zunehmend ersetzt werden. Über die REACH-Verordnung hat die EU die europäische Industrie zum Einsatz von umweltfreundlicheren, leichter handhabbaren und vor allem weniger gesundheitsschädlichen Stoffen in ihren Produktionsprozessen verpflichtet. Daher ist die Industrie immer auf der Suche nach REACH-konformen Alternativen, wie sie Ionische Flüssigkeiten und Molten Salts darstellen.

Das bislang umfangreichste Forschungsgebiet im Bereich von MS sind die Sensor- und Aktorwerkstoffe. Ihre physikalischen Eigenschaften können durch eine Veränderung eines äußeren Reizes, wie z.B. Helligkeit, Feuchtigkeit, Temperatur, Atmosphärenzusammensetzung (Gase), ein elektrisches oder magnetisches Feld, spontan oder über eine gewisse Zeitspanne hinweg geändert werden, in der Regel auch reversibel. Durch sichtbares sowie UV-Licht können z.B. der Schmelzpunkt, die Ionenleitfähigkeit oder das magnetische Moment verändert werden.

Gasmessungen werden durch die gute Löslichkeit von Gasmolekülen und den extrem niedrigen Dampfdruck von ML möglich. Da ML magnetische Nanopartikel wesentlich besser und länger in Suspension halten sind sie auch besonders interessant für die Schwingungsdämpfung bei Kraftfahrzeugen und auch Maschinen.

Darüber hinaus gelten Flüssigsalzgemische auch bei der Übertragung und Speicherung von Energie in thermischen Prozessen, wie z.B. bei solarthermischen Kraftwerken, als sehr vielversprechend. Sie zeichnen sich durch eine hohe Übertragungseffizienz bei gleichzeitig niedrigem Schmelzpunkt und spezifischem Gewicht, hoher spezifischer Wärmekapazität und einer ausgezeichneten thermischen Stabilität aus. Die Energieübertragung beispielsweise innerhalb eines Sonnenwärmekraftwerks kann so sehr viel effizienter ablaufen, der Wirkungsgrad steigt.

Bei der Herstellung von bio-basierten Plattformchemikalien macht man sich den hohen Siedepunkt, die niedrige Volatilität und die hohe Polarität von IL und MS zu Nutze. Im Vergleich zu konventionellen flüchtigen und oft gefährlichen, organischen Lösungsmitteln (VOC) weisen sie eine einfache Handhabung und deutlich bessere Umwelteigenschaften auf, weil sie z.B. leicht aus dem Reaktionsgemisch abgetrennt werden können. Chemische Reaktionen können mit ihrer Hilfe bei viel niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden (<100 °C), wodurch sie u.a. für die Herstellung von wichtigen bio-basierten Plattformchemikalien, wie z.B. 5-Hydromethylfurfural (5-HMF), als Grundlage einer Biokunststoffchemie überaus interessant sind.

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