Poröse Kriställchen weisen Stickstoffmonoxid nach

Leitfähiges 2D metallorganisches Gerüst zur ultrasensitiven Detektion von NO

17.12.2024

Die Bestimmung von Stickstoffmonoxid (NO) ist für die Überwachung der Luftqualität wichtig, da bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetztes NO zu saurem Regen und Smog beiträgt. In der Medizin ist NO als Botenstoff bedeutsam und dient als Asthma-Biomarker. In der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet ein Forschungsteam jetzt über ein Material, das NO stromsparend, hochempfindlich und selektiv nachweisen kann: eine Kupfer-haltige elektrisch leitfähige zweidimensionale metallorganische Gerüst-Verbindung.

Metall-organische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs) sind gitterartige Strukturen aus metallischen „Knotenpunkten“, die über organische Verbindungsstücke (Liganden) verbrückt sind. Eine aufstrebende Klasse sind aus einzelnen Lagen aufgebaute, elektrisch leitfähige Varianten. Diese 2D-cMOFs zeigen u.a. großes Potenzial als chemiresistive Sensoren, die auf die Anwesenheit bestimmter Moleküle mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren und eine besonders empfindliche und stromsparende Detektion toxischer Gase ermöglichen könnten. Probleme sind bisher noch Kreuzreaktivitäten unter verschiedenen Gasen und eine nur eingeschränkte Wiederverwendbarkeit, da die Bindung der Analyte oft irreversibel ist.

Katherine A. Mirica, Christopher H. Hendon und ihr Team vom Dartmouth College (Hanover, NH, USA), der University of Oregon (OR/USA) und dem Ulsan National Institute of Science and Technology (Südkorea) haben jetzt ein mehrfach verwendbares 2D-cMOF für die hochselektive NO-Detektion entwickelt. Die Wahl fiel auf ein 2D-cMOF aus Kupfer-Hexaiminobenzol Cu₃(HIB)₂. Schlüssel zum Erfolg: Dank einer veränderten Synthesestrategie (der Linker wurde als ungelöstes Pulver in eine Lösung von Cu²⁺-Ionen und Kaliumacetat gegeben) gelang es dem Team, das Material in einer deutlich höheren Kristallinität (ca. 500 nm lange stäbchenförmige Kristallalite) als bisher zu erhalten.

Die Kriställchen bestehen aus gestapelten Lagen einer wabenartigen Struktur aus Sechsringen, die über ihre Stickstoffatome von Kupferionen zusammengehalten werden. Verschiedene spektrometrische Analysenmethoden sowie Compterberechnungen ergaben Cu-bis(iminobenzosemichinoid)-Einheiten des Kupfer-2D-cMOFs als Bindestelle für NO. Eine analoge Verbindung mit Nickel statt Kupfer zeigte keine signifikante Adsorption von NO. Offenbar spielen einfach positiv geladene Kupferionen, die in kleiner Menge neben den zweifach positiv geladenen Kupferionen in der Struktur vorkommen, eine wichtige Rolle für die Bindung von NO. Computersimulationen sprechen dafür, dass die Struktur dabei deutlich verzerrt und der gebundene Zustand destabilisiert wird – Hauptgrund für die erwünschte Reversibilität der NO-Adsorption.

Das neue Sensormaterial weist NO bei Raumtemperatur und geringer Spannung (0,1 V) ultrasensitiv nach (Nachweisgrenze ca. 1,8 ppb) und konnte über mindestens sieben Zyklen ohne Regeneration wiederverwendet werden. Quantitative NO-Messungen gelangen auch in Anwesenheit von Feuchtigkeit und zeigten eine hohe Verstärkung des Sensor-Signals für NO im Vergleich zu anderen Gasen, wie Stickstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Ammoniak, Kohlenmonoxid und -dioxid.

Originalveröffentlichung

Hyuk‐Jun Noh, Doran L. Pennington, Jeong‐Min Seo, Evan Cline, Georganna Benedetto, Jong‐Beom Baek, Christopher H. Hendon, Katherine A. Mirica; "Reversible and Ultrasensitive Detection of Nitric Oxide Using a Conductive Two‐Dimensional Metal–Organic Framework"; Angewandte Chemie International Edition, 2024-12-2

https://www.chemie.de/news/1185153/poroese-kristaellchen-weisen-stickstoffmonoxid-nach.html