RUB-Chemiker "backen" molekulare Baumkuchen: Neuartige Herstellung
von MOFs
Alternative Herstellungsmethoden für MOFs: Geschichtet, nicht gerührt
- Metallorganische Koordiationspolymere mit neuen Eigenschaften.
Poröse Materialien werden in der Chemie heiß gehandelt: Ihr
Anwendungsspektrum reicht von der saugkräftigen Babywindel bis hin zum
leistungsstarken Katalysator oder zum effizienten Tank für Gase und
Flüssigkeiten. Weltweit tüfteln Forscher an der Herstellung dieser
Substanzen, sog. MOFs (für engl.: Metal-Organic Frameworks), die aus
mehreren Komponenten zusammengesetzt werden. Im Rahmen einer
Zusammenarbeit haben jetzt Bochumer Chemiker (Prof. Dr. Christof Wöll
und Prof. Dr. Roland A. Fischer, Fakultät für Chemie und Biochemie der
RUB) eine neue Methode entwickelt, MOFs herzustellen: Anstatt die
Komponenten einfach zu mischen und dann reagieren zu lassen, tragen sie
sie schichtweise auf eine Oberfläche auf und können so ganz neue und
viel komplexere MOFs erzeugen. "Man kann sich das so vorstellen wie das
Backen eines Baumkuchens", verdeutlicht Prof. Wöll. "Der Teig wird nicht
wie üblich erst gerührt und dann gebacken, sondern lagenweise
aufgetragen - so wird die Kombination unzähliger verschiedener
Teigsorten in einem Kuchen möglich."
Über die Ergebnisse berichteten die Forscher in der renommierten
Zeitschrift "Journal of the American Chemical Society".
Von der Windel bis zum Brennstoffzellenauto
Einen MOF kann man sich vorstellen wie ein winziges Regalsystem, bei
dem Bretter und Streben aus speziellen Molekülen bestehen. In die
einzelnen Fächer lassen sich Stoffe einlagern, zum Beispiel
Gasmoleküle. Interessanterweise passen in den MOF-gefüllten Tank mehr
Moleküle als in den leeren Tank: In den Regalfächern werden die
Moleküle an die Bretter gebunden und rücken dadurch dichter aneinander
heran. Das macht die MOFs zum Beispiel interessant für die Entwicklung
wasserstoffbetriebener Brennstoffzellen-Autos. In die einzelnen
Regalfächer können aber auch Metall-Nanocluster eingebettet werden: So
wird dann aus einer MOF-beschichteten Oberfläche ein Sensor.
Schematische Darstellung der
neuartigen Synthese von metallorganischen Käfigverbindung, MOF
(metal organic framework), durch abwechselndes Belegen einer
organischen Oberfläche mit Kupferionen (MLx, Schritt 1) und
COOH-funktionalisierten Liganden (L, Schritt 2). Ausgangspunkt ist
eine organische, COOH-terminierte Oberfläche, die durch Adsorption
eines entsprechenden Organothiols hergestellt wurde. Durch
Wiederholen von Schritt 1 und Schritt 2 können beliebig dicke
MOF-Schichten hergestellt werden.
Eintauchen in verschiedene Lösungen
Normalerweise werden die MOF-Substanzen durch einfaches Mischen von
zwei Ausgangssubstanzen und anschließende Behandlung mit höheren
Temperaturen hergestellt - so ähnlich wie beim Kuchenbacken. Im Rahmen
einer Zusammenarbeit zwischen der Physikalischen und der Anorganischen
Chemie entstand die Idee, ein neues Syntheseverfahren zu erproben.
Dabei werden die Ausgangssubstanzen nicht gemischt, sondern ein
Trägermaterial wird jeweils nacheinander in verschiedene Lösungen
einzelner Substanzen eingetaucht. Das (ggf. automatisierte)
Wiederholen dieser Schritte ermöglicht die Herstellung sehr homogener
Schichten in einem Lage-für-Lage-Verfahren - der Herstellung eines
Baumkuchens vergleichbar. Überraschend für die Forscher war, dass die
strukturelle Qualität dieser Schichten sehr hoch ist. In einigen
Fällen wird sogar die strukturelle Qualität der mit dem klassischen
Verfahren erzielten Ergebnisse noch übertroffen. "Noch wichtiger ist
allerdings, dass uns das Verfahren die Herstellung ganz neuartiger
MOFs ermöglicht", so Prof. Fischer. Mehr Komponenten und eine gezielte
Anordnung der einzelnen Schichten rücken in den Bereich des Möglichen.
Bis zu 100 Schichten können die Bochumer Chemiker heute übereinander
auftragen. Die gesamte Schichtstärke beträgt dann ca. 100 nm, genug
für die Beschichtung von Sensor-Oberflächen.
Quellen und Artikel:
-
O. Shekhah, H. Wang, S. Kowarik, F. Schreiber, M. Paulus, M. Tolan,
Ch. Sternemann, F. Evers, D. Zacher, R. A. Fischer, and Ch. Wöll: Step-by-Step Route for the Synthesis of Metal-Organic Frameworks.
In: Journal of the American Chemical Society; J. Am. Chem.
Soc. 2007, 129, 15118-15119;
DOI: 10.1021/ja076210u.
