Forscher der King Abdullah University of Science and Technology entwickeln neue MOF-Entwurfsmethode Eine jahrhundertealte Technik zum Bau von gewölbten Steinfenstern hat eine neue Methode zur Bildung maßgeschneiderter Fenster im Nanomaßstab in porösen Funktionsmaterialien – metallorganischen Gerüsten (MOFs) – inspiriert, die potenzielle Anwendungen in der Gastrennung und in medizinischen Bereichen haben. Eine molekulare Version einer architektonischen bogenförmigen „zentrierten Schablone“ wird verwendet, um die Bildung von MOFs mit Öffnungen vorgegebener Form und Größe zu steuern.
Neue MOFs, die mit diesem Ansatz entworfen und hergestellt werden, reichen von engporösen Materialien mit Potenzial zur Gastrennung bis hin zu makroporösen Strukturen mit Potenzial für medizinische Anwendungen aufgrund ihrer hervorragenden Sauerstoffadsorptionsfähigkeiten.
„Eines der anspruchsvollsten Ziele beim Entwurf neuer Strukturen ist die präzise Kontrolle der Strukturbildung“, sagte Aleksandr Sapianik, Postdoktorand in der Gruppe von Mohamed Eddaoudi, der die Studie leitete. „Für die Netzwerkchemie (den Zusammenbau molekularer Bausteine zu porösen kristallinen Materialien wie MOFs) erkannte das Forschungsteam, dass das Konzept der zentrierenden Vorlage eine präzise Kontrolle ermöglichen könnte.“
Ausgangspunkt der Forschung sind zeolithähnliche MOFs (ZMOFs), die typischerweise fünfeckige Fenster aufweisen, die von Bausteinen, sogenannten Supertetraedern (STs), eingerahmt werden. „Unser Ziel ist es, mithilfe dieser Bausteine die Anordnung von STs von dieser bekannten Topologie zu einer Topologie zu steuern, über die noch nie zuvor berichtet wurde“, sagte Sapianik.
Das Forschungsteam entwickelte Central Structure Directing Agents (cSDA), um die ST-Ausrichtung zu steuern und ZMOF-Fenster mit neuen Formen und Größen zu bilden. Ein Satz cSDA dient dazu, den Winkel zwischen benachbarten ST-Zellen zu verkleinern und so ein kleines Fenster zu bilden. Ein weiterer Satz von cSDA zielt darauf ab, den Winkel zwischen ST-Einheiten zu erweitern und so ein größeres Fenster zu bilden.
Marina Barsukova, Postdoktorandin in Eddaoudis Team, sagte: „MOF-Porengröße und -volumen sind wichtige Parameter, die sich auf seine Anwendung auswirken. Ein vom Team entworfenes ZMOF (Fe-sod-ZMOF-320) mit großem Fenster weist die höchste Sauerstoffadsorptionskapazität unter bekannten MOFs auf. Diese Eigenschaft hat wichtige Anwendungen in der Medizin und in der Luft- und Raumfahrt. Sie ist in der Industrie wichtig, weil die hohe Kapazität die in Sauerstoffflaschen gespeicherte Sauerstoffmenge erhöhen oder die Sauerstoffflaschen kleiner und einfacher machen kann.“ Derselbe ZMOF eignet sich auch hervorragend für die Speicherung von Methan und Wasserstoff, die beide potenzielle Brennstoffe sind. Andere ZMOFs der Serie mit schmalen Fenstern haben ebenfalls Potenzial für die Gastrennung von molekularen Gemischen gezeigt.
Vincent Guillerm, ein Forschungswissenschaftler in Eddaoudis Gruppe, sagte, das cSDA-Konzept biete mehrere Vorteile, die die Leistung von MOFs verbessern könnten. Er sagte: „cSDA trennt große Fenster in kleinere Fenster, und unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass dies die chemische Trennung unterstützt. Es bietet außerdem zusätzliche interne Porenoberflächen, trägt zur Verbesserung der Gasspeicherung bei und stärkt das MOF-Gerüst, wodurch die Stabilität des Materials verbessert wird. Der von uns entwickelte zentralisierte Ansatz ist eine weitere leistungsstarke Strategie für die Netzwerkchemie und bietet großes Potenzial für die On-Demand-Herstellung von MOFs für Anwendungen in den Bereichen Energiesicherheit und ökologische Nachhaltigkeit.“