Tuttavia, la possibilità di modulare le proprietà, la stabilità ciclica e le caratteristiche di adsorbimento/desorbimento selettivo di questi materiali stanno aprendo nuove opportunità per la loro commercializzazione come alternative efficienti dal punto di vista energetico per una serie di tecnologie critiche e ad alta intensità energetica. Tra queste figurano la cattura del carbonio, la raccolta dell'acqua piovana per la produzione di acqua potabile e per i sistemi HVAC, nonché diversi processi di separazione e purificazione chimica (ad esempio, separazione dei gas, filtrazione dell'aria, estrazione diretta del litio, rimozione dei PFAS e molti altri).

Storicamente, uno dei principali ostacoli alla commercializzazione su larga scala dei MOF è stato il loro elevato costo di produzione, che a sua volta ha comportato prezzi di mercato elevati. Tuttavia, le recenti partnership tra aziende consolidate del settore, come BASF, e startup come AirJoule, Svante e WaHa, volte a incrementare strategicamente la produzione di specifici MOF al fine di commercializzare tecnologie basate su MOF, potrebbero rivelarsi cruciali per ridurre tali costi. In combinazione con le caratteristiche prestazionali uniche offerte da questi materiali, esiste il potenziale per posizionare i MOF come un'alternativa più competitiva alle attuali tecnologie ad alta intensità energetica, il che potrebbe anche favorire una maggiore adozione sul mercato.

Produzione di MOF

L'implementazione industriale dipende dalla disponibilità, dalla qualità e dall'economicità dei materiali. La maggior parte dei MOF sviluppati nei laboratori di ricerca viene sintetizzata utilizzando metodi solvotermici su scala milligrammica. Per produrre MOF su scala industriale, i metodi di produzione devono essere scalabili.
Inoltre, la disponibilità di materie prime è un fattore critico nel determinare la redditività commerciale di un MOF. Con oltre 100.000 strutture registrate, solo poche soddisfano i criteri per una potenziale commercializzazione. Sulla base delle informazioni raccolte da interviste con attori chiave come BASF, Numat e Promethean Particles, il rapporto IDTechEx valuta criticamente i vantaggi e le sfide dei vari approcci adottati dai produttori per scalare la produzione di MOF. Basandosi su ricerche primarie, il rapporto affronta anche i fattori che influenzano i costi di produzione e, in definitiva, il prezzo di vendita dei MOF. Il rapporto fornisce anche una panoramica delle capacità produttive dei principali produttori.

La cattura del carbonio è un fattore chiave per la crescita del mercato dei MOF

L'impiego di tecnologie di cattura del carbonio è uno strumento importante per raggiungere l'obiettivo di emissioni nette pari a zero. Tuttavia, nonostante l'elevato livello di maturità dei metodi basati su solventi amminici (ad esempio, lo scrubbing con ammine) per la cattura della CO2, la loro diffusione rimane limitata, principalmente a causa degli elevati costi di installazione e del consumo energetico associato alla rigenerazione del solvente.

I sistemi modulari di cattura del carbonio con adsorbenti solidi a base di MOF, come quelli sviluppati da Svante e Nuada, stanno guadagnando terreno, grazie a una significativa riduzione del fabbisogno energetico per la rigenerazione dell'adsorbente, a una maggiore stabilità dell'adsorbente, alla selettività per la CO2 e a minori spese in conto capitale rispetto ai sistemi basati su solventi.

MOF per separazioni e purificazioni chimiche

La separazione e la purificazione chimica sono operazioni fondamentali in settori manifatturieri come la produzione chimica, l'industria mineraria e la raffinazione di petrolio e gas. I processi convenzionali di separazione chimica termica basati sulla distillazione presentano notevoli svantaggi: richiedono ampi spazi, comportano ingenti investimenti e consumano molta energia. La selettività chimica regolabile e l'architettura dei pori controllabile dei MOF consentono la separazione selettiva delle sostanze chimiche quando utilizzati come adsorbenti solidi o membrane.

Ad esempio, UniSieve, produttore di membrane a base di MOF, ha dichiarato a IDTechEx di aver dimostrato la separazione di sostanze chimiche con punti di ebollizione di circa 5 °C utilizzando la sua tecnologia a membrana non termica, che altrimenti richiederebbe una separazione termica ad alta intensità energetica mediante colonne di distillazione alte circa 100 metri. Nell'ambito della ricerca IDTechEx si stanno valutando progressi in applicazioni quali il recupero di refrigeranti, l'estrazione diretta del litio e vari processi di separazione e purificazione dei gas, tra cui l'upgrading del biogas e la produzione di propilene di grado polimerico.

MOF per tecnologie di raccolta dell'acqua e di controllo climatico

Le tecnologie di raccolta dell'acqua atmosferica (AWH) che utilizzano adsorbenti avanzati (ad esempio, MOF) offrono l'opportunità di sfruttare le risorse idriche in regioni in cui le fonti idriche tradizionali sono limitate. Inoltre, gli effetti di riscaldamento e raffreddamento indotti dalle proprietà di adsorbimento e desorbimento dell'acqua dei MOF possono essere utilizzati anche per i sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), che possono funzionare con un consumo di elettricità fino al 75% inferiore rispetto alle tecnologie di refrigerazione a compressione di vapore convenzionali. Ciò è particolarmente importante, poiché si prevede che il consumo globale di elettricità per i sistemi HVAC triplicherà entro il 2050 a causa dell'aumento della domanda, soprattutto in Asia e Medio Oriente.

Il rapporto IDTechEx illustra i progressi nei materiali e nelle tecnologie per i sistemi aria-acqua (AWH) e HVAC che incorporano i MOF, con riferimenti e confronti dei principali indicatori di prestazione con altri adsorbenti. Il rapporto evidenzia inoltre i principali attori all'avanguardia nello sviluppo e nella commercializzazione di queste tecnologie.

MOF per lo stoccaggio di gas, l'accumulo di energia e altre applicazioni in fase iniziale

I MOF sono oggetto di studio anche per applicazioni di stoccaggio del gas, e il produttore statunitense di MOF Numat ha commercializzato la sua gamma ION-X per lo stoccaggio di gas droganti per l'industria dei semiconduttori. Diverse startup stanno inoltre sviluppando prototipi di soluzioni di stoccaggio del gas naturale basate su MOF per supportare le reti di approvvigionamento del gas, mentre i progressi nelle applicazioni di stoccaggio dell'idrogeno sono meno avanzati. Anche lo stoccaggio di energia e le applicazioni per batterie sono settori in cui i MOF stanno suscitando notevole interesse, con aziende come Svolt, GM, LG Energy e altre che guidano gli sforzi di ricerca e sviluppo. Il rapporto IDTechEx esamina anche altre applicazioni in fase iniziale, come la catalisi, i sensori e altro ancora.

Le prospettive di IDTechEx sui MOF

Le diverse applicazioni dei MOF offrono un'ampia gamma di possibilità per l'adozione di tecnologie basate sui MOF, soprattutto in quelle applicazioni in cui i MOF possono ridurre significativamente il consumo energetico e i costi operativi. Tra queste figurano la cattura del carbonio, le separazioni chimiche e la raccolta dell'acqua. Tuttavia, queste tecnologie non sono ancora state validate su scala industriale e le nuove tecnologie possono essere percepite come rischiose, il che potrebbe ostacolarne l'adozione iniziale. Inoltre, le tecnologie esistenti sono fortemente presenti nei principali mercati di riferimento e i MOF potrebbero faticare a conquistare quote di mercato.

Con l'arrivo sul mercato di numerosi prodotti commerciali nel prossimo decennio, le tecnologie basate sui MOF dovranno dimostrare le proprie prestazioni su larga scala. A ciò dovrà inoltre accompagnarsi una crescita sostenuta della capacità produttiva attraverso metodi scalabili.

Con l'avvicinarsi della commercializzazione delle tecnologie basate sui MOF, il nuovo report di IDTechEx, "Metal-Organic Frameworks (MOF) 2025-2035: Mercati, Tecnologie e Previsioni", offre un'analisi indipendente delle principali tendenze e prende in considerazione le applicazioni dei MOF per altre tecnologie in fase iniziale, come lo stoccaggio dell'idrogeno, l'accumulo di energia (ad esempio, batterie), i semiconduttori, i sensori e altro ancora. Basandosi sulle informazioni ricavate da ricerche primarie, il report analizza i principali attori del settore e fornisce previsioni di mercato in termini di domanda annua e valore di mercato segmentato per applicazione. IDTechEx prevede che questo mercato crescerà a un CAGR del 40% tra il 2025 e il 2035.

Autore: Dott. Shababa Selim, analista tecnologico senior presso IDTechEx