Toray entwickelt ultra-permeables poröses Carbonfaser-Material

Toray Industries (Tokyo) hat im November 2019 die weltweit erste poröse Carbonfaser mit kontinuierlicher Nano- und/oder Mikroporenstruktur vorgestellt – Kommerzialisierung innerhalb von fünf Jahren angestrebt.

Anwendung: Gastrennungstechnologie

Ein Hauptanwendungsfeld ist die Gastrennung (CO₂, Biogas, Wasserstoff etc.). Herkömmliche Großanlagen sind energieintensiv und CO₂-emissionsstark. Nanoporöse Membranen versprechen weniger Energieverbrauch, fehlte es bisher an Effizienz und Langzeitstabilität für den großindustriellen Einsatz.

Torays poröse Carbonfaser könnte dies lösen – auch für Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen – indem sie Gastrennmembranen leistungsfähiger, dünner, leichter, kompakter und beständiger gegen Hitze, Druck und Chemikalien macht.

Poröse Filtrationsmedien im Überblick

Nano-/mikroporöse Medien sind etabliert: Thermoplaste (PES, PSU, PVDF, PTFE, CA) für Wasser-, Lebensmittel-, Medizin- und Gasfiltration. Keramik (Al₂O₃) und Metalle (TiO₂, Edelstahl) für Extrembedingungen. Porengrößen: 0,1 µm (Mikrofiltration), 0,01 µm (Ultrafiltration), 0,001 µm (Nanofiltration), 0,0001 µm (Umkehrosmose). Kritische Anforderungen: chemische Beständigkeit (auch gegen Natriumhypochlorit), mechanische Festigkeit, Permeabilität, geringe Verunreinigungsneigung.

Vorteile poröser Carbonfaser

Aktivkohle (fester Körper mit Oberflächenporen) dient seit langem in einfacheren Filtern – Adsorption durch leere Orbitale und große Oberfläche. Doch Permeation bleibt oberflächenbegrenzt, Filtration primär physikalisch.

Torays poröse Carbonfaser hat durchgängige Poren – ermöglicht physikalische UND chemische Filtration. Atomarer Kohlenstoffs Adsorptionsfähigkeit prädestiniert für Elektrodenmaterialien und Katalysatorträger in Hochleistungsbatterien. Zudem ist Carbon thermisch und elektrisch leitend – nützlich für viele Anwendungen.

Porengröße (Mikro bis Nano) und Querschnittsform sind steuerbar – sowohl für „massive“ als auch hohle poröse Fasern (zentraler Hohlraum). Bisher „große“ und „kleine“ Poren realisierbar (keine Details). Da Carbonfaser bereits karbonisiert/graphitisiert ist, ist sie chemisch stabil, steif und fest – ideal für robustere, kompaktere Gastrennmembranen.

Entwicklung aus drei Kernkompetenzen

Toray nutzte Expertise in Polymeren, Carbonfaser und Trennmembran-/Wasserfiltrationstechnologie.

Neues F&E-Zentrum und Partnerschaften

Am 11.12.2019 eröffnete Toray das R&D Innovation Center for the Future am Shiga-Werk (Otsu, Japan) – globale Zentrale für strategische Initiativen wie poröse Carbonfaser. Zusammenarbeit mit akademischen und industriellen Partnern treibt Kommerzialisierung fortschrittlicher Gastrennmembranen voran: wirtschaftliche, umweltfreundliche Erdgas-/Biogas-Aufbereitung und Wasserstoffproduktion für Brennstoffzellen (E-Fahrzeuge, Gebäude).

Konzept: Vier-Schicht-System mit Torays poröser Carbonfaser als Trägerschicht und Partnertechnologie für Trennschichten – trennt Erdgas (Schicht A), Biogas (B), Wasserstoff (C), Propen (D).

Forschung zielt auf Carbon-Recycling, Wasserstoffenergie, kleineren ökologischen Fußabdruck – Teil von Torays Group Sustainability Vision für kohlenstoffarme Wirtschaft bis 2050.