Ein Polymer stabilisiert zusammenbrechende metallorganische Gerüste.

22.07.2019 - Schweiz

Metallorganische Gerüste (MOFs) sind eine spezielle Klasse von schwammartigen Materialien mit nanogroßen Poren. Die Nanoporen führen zu rekordverdächtigen Innenflächen, bis zu 7800 m² in einem Gramm. Diese Eigenschaft macht MOFs zu extrem vielseitige Materialien mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten, wie z.B. die Trennung von Petrochemikalien und Gasen, die Nachahmung von DNA, die Wasserstoffproduktion und die Entfernung von Schwermetallen, Fluoridanionen und sogar Gold aus Wasser - um nur einige zu nennen.

Eines der wichtigsten Merkmale ist die Porengröße. MOFs - und andere poröse Materialien - werden nach dem Durchmesser ihrer Poren klassifiziert: MOFs mit Poren von bis zu 2 nm Durchmesser werden als "mikroporös" und alles darüber als "mesoporös" bezeichnet. Die meisten MOFs sind heute mikroporös, so dass sie nicht für Anwendungen geeignet sind, bei denen sie große Moleküle einfangen oder Reaktionen zwischen ihnen katalysieren müssen - im Grunde genommen passen die Moleküle nicht in die Poren.

In jüngster Zeit sind daher mesoporöse MOFs ins Spiel gekommen, weil sie in großmolekularen Anwendungen viel versprechend sind. Dennoch sind sie nicht unproblematisch: Wenn die Porengrößen in das mesoporöse Regime eintreten, neigen sie zum Zusammenbruch. Verständlicherweise reduziert dies die innere Oberfläche mesoporöser MOFs und damit deren Gesamtnutzen. Da ein Hauptaugenmerk in diesem Bereich auf der Suche nach innovativen Wegen zur Maximierung der MOF-Oberflächen und Porengrößen liegt, ist die Lösung des Kollaps-Problems von höchster Priorität.

Nun hat Dr. Li Peng, Postdoc an der EPFL Wallis, das Problem gelöst, indem er den mesoporösen MOFs kleine Mengen eines Polymers zugesetzt hat. Da das Polymer die MOF-Poren offen hält, erhöht es die erreichbaren Oberflächen von 5 bis 50 Mal. Die Studie wurde von der Forschungsgruppe von Wendy Lee Queen in Zusammenarbeit mit den Labors von Berend Smit und Mohammad Khaja Nazeeruddin am EPFL Institute of Chemical Sciences and Engineering (ISIC) durchgeführt.

Nach der Zugabe des Polymers zu den MOFs blieben ihre hohen Oberflächen und Kristallinitäten auch nach dem Erwärmen der MOFs auf 150°C erhalten - Temperaturen, die bisher aufgrund des Porenzusammenbruchs nicht erreichbar waren. Diese neue Stabilität ermöglicht den Zugang zu vielen weiteren offenen Metall-Koordinationsstellen, was auch die Reaktionsfähigkeit der MOFs erhöht.

In der im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie verwenden zwei Doktoranden, Sudi Jawahery und Mohamad Moosavi, molekulare Simulationen, um zu untersuchen, warum Poren bei mesoporösen MOFs überhaupt zusammenbrechen, und schlagen auch einen Mechanismus vor, um zu erklären, wie Polymere ihre Struktur auf molekularer Ebene stabilisieren.

"Wir gehen davon aus, dass wir mit dieser Methode zur polymerinduzierten Stabilisierung eine Reihe neuer mesoporöser MOFs herstellen können, die aufgrund des Kollapses bisher nicht zugänglich waren", sagt Queen. "Daher kann diese Arbeit neue, aufregende Anwendungen eröffnen, die die Trennung, Umwandlung oder Abgabe großer Moleküle betreffen."

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Originalveröffentlichung

Li Peng, Shuliang Yang, Sudi Jawahery, Seyed Mohamad Moosavi, Aron J. Huckaba, Mehrdad Asgari, Emad Oveisi, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Berend Smit, Wendy L. Queen; "Preserving porosity of mesoporous metal-organic frameworks through the introduction of polymer guests"; JACS; 18 July 2019.

https://www.chemie.de/news/1162020/ein-polymer-stabilisiert-zusammenbrechende-metallorganische-gerueste.html