Poröse Flüssigkeiten als Gasspeicher

Zeolithe und metallorganische Gerüste sind kristalline Fest­körper mit der größten bekannten Porosität. Dank der Poren und der pro Volumen ungewöhnlich großen Oberfläche, können diese Materialen als Gasspeicher oder Katalysatoren eingesetzt werden. Nun gelang es einer inter­nationalen Forscher­gruppe erstmals, eine dauerhaft poröse Flüssigkeit herzustellen. Damit begründen sie eine völlig neuartige Material­klasse, die in Zukunft bisher genutzte Fest­körper ersetzen und so die Abläufe von Speicher- und Katalyse-Prozessen verein­fachen könnte.

Stuart James von der Queen´s University in Belfast und seine Kollegen produzierten in einem mehr­stufigen Verfahren organische Käfig-Moleküle. Diese „crown-ether-cages“ hatten einen Durch­messer von etwa einem halben Nano­meter und etwas kleinere Öffnungen von etwa 0,4 Nano­metern. Um aus diesem festen Material eine poröse Flüssig­keit zu erhalten, mischten die Wissen­schaftler die Käfig-Moleküle in ein organisches Lösungs­mittel.

Um die Löslichkeit zu erhöhen, dockten die Forscher vorher ring­förmige Oligo­ether-Gruppen in einer nass­chemischen Reaktion mit Substanzen wie Triformyl­benzol und Dichloro­methan an die Käfig-Moleküle an. Diese Oligo­ether-Gruppen hatten den Vorteil, dass sie wegen ihrer Form nicht in die Käfige selbst eindringen und so die Poren der Flüssigkeit verstopften konnten. Auf diesem Weg gelang es, die erste poröse Flüssigkeit herzu­stellen, deren Poren dauerhaft geöffnet blieben.

In weiteren Versuchen analysierten die Wissen­schaftler, wieviel Methangas diese gelbliche und etwas zähe Flüssigkeit aufnehmen konnte. Knapp ein Milli­gramm Methan ließ sich bei dreißig Grad Celsius dank der Käfig-Moleküle in einem Gramms der porösen Flüssigkeit lösen. Mühelos konnten dabei die kleinen Methan­moleküle durch die Poren der Käfig-Moleküle wandern, um in ihnen über schwache Bindungs­kräfte festge­halten zu werden. Magnet­resonanz-Analysen der mit Methan versetzten Flüssig­keit bestätigten die ungewöhnlich hohe Gas­konzentration.

Zwar können feste, poröse Materialien wie etwa Zeolithe noch mehr Gasmengen in ihren Poren aufnehmen. Doch James ist sich sicher, dass auf der Grundlage seiner Versuche die Speicher­fähigkeit von porösen Flüssig­keiten gesteigert werden könnte. Da sich Flüssig­keiten in chemischen Prozessen sehr viel einfacher austauschen und kontrollieren lassen als Fest­körper, könnte mit ihnen die Effizienz von Speicher- oder Katalyse-Reaktionen erhöht werden. Auch Reaktionen mit dünnen Filmen aus porösen Flüssig­keiten eröffnen Möglich­keiten, die poröse Fest­körper nicht bieten.

„Diese ersten porösen Flüssigkeiten sollten als Proto­typen einer neuen Material­klasse angesehen werden“, kommentiert Michael Mastalerz von der Uni Heidelberg. Er ist davon überzeugt, dass mit einer Steigerung der Speicher­eigen­schaften diese porösen Flüssig­keiten ohne Zweifel zahlreiche techno­logische Anwendungen finden werden. Auch Katalyse-Reaktionen mit einer porösen Flüssig­keit sind vorstellbar. Doch auf diesem Feld haben metall­organische Gerüste mit Ober­flächen von mehr als 4500 Quadrat­metern pro Gramm klar die Nase vorn. Vergleich­bare Messungen der potenziell aktiven Ober­fläche in porösen Flüssig­keiten stehen zwar noch aus, doch sind hier deutlich kleinere Flächen­maße zu erwarten.

Jan Oliver Löfken

RK