Poröser Speicher?
Ein Gramm der porösen Substanz MOF-177 hat eine Oberfläche von einem halben Hektar – so viel wie kein anderer Stoff bisher.
Poröser Speicher?
Ein Gramm der porösen Substanz MOF-177 hat eine Oberfläche von einem halben Hektar – so viel wie kein anderer Stoff bisher.
Ann Arbor (USA) – Poröse Substanzen mit einer extrem großen Oberfläche eignen sich hervorragend als Filter, Katalysatoren oder effektive Speicher für Gase, beispielsweise Wasserstoff. Mit der metallorganischen Verbindung MOF-177 gelang amerikanischen Forschern nun ein neuer Weltrekord. Mit einer Oberfläche von rund 4500 Quadratmeter pro Gramm stellt die kristalline Substanz auf der Basis von Zinkoxid und Benzoltribenzoat selbst Kohlenstoff (2030 m 2/g) und Zeolith Y (904 m 2/g) weit in den Schatten. Über die Herstellung und erste Speicherversuche von MOF-177 (metall-organic frameworks) berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "Nature".
"Dieses Gerüst vereint eine außergewöhnlich große Oberfläche mit einer geordneten Struktur. Dadurch weist sie besonders große Poren auf und kann polyzyklische, organische Gastmoleküle binden", schreiben Hee K. Chae und seine Kollegen von der University of Michigan in Ann Arbor. Der Grund für die extrem große Oberfläche, die pro Gramm rund 17 Tennisplätzen entspricht, liegt in der regelmäßigen Struktur von abwechselnd angeordneten, organischen und metallischen Molekülgruppen. Den organischen Anteil bilden ausladende, dreieckige Moleküle aus vier Benzolringen, die über tetraederförmige Zinkoxidcluster miteinander verknüpft sind.
Die Struktur der metallorganischen Verbindung MOF-177: Die ZnO 4-Tetraeder sind blau dargestellt. Deutlich zu erkennen sind auch die Benzolringe (schwarz). (Quelle: Chae/UMICH)
Zur Herstellung dieser kristallinen MOF-177-Zellen heizten Chae und Kollegen eine Mischung aus Zinknitrat und 1,3,5-Benzoltribenzoat (H 3BTB) in Diethylformamid auf 100 Grad Celsius auf. Metalloxide und die organischen Molekülgruppen verbanden sich dabei zu dem schwammartigen Kristall (Zn 4O(BTB) 2). Bei Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Röntgenbeugung erkannten die Wissenschaftler, dass der Komplex 84 relativ frei liegende Kanten und nur vier komplett umschlossene Ecken pro Struktureinheit aufweisen.
Die Speichereigenschaften von MOF-177 mit einem Porenvolumen von 1,59 Kubikzentimeter pro Gramm testeten die Forscher darauf mit Stickstoff-Gas und C-60-Clustern. Insgesamt konnte die poröse Substanz rund 1288 Milligramm Stickstoff pro Gramm aufnehmen; das entspricht rund 422 Stickstoffmolekülen pro MOF-177-Einheit. Neben anderen organischen Substanzen wie Brombenzol bot die Porengröße von MOF-177 auch die Möglichkeit, C-60 einzulagern. So wanderten aus einer C-60-Toluol-Lösung die Fullerene in die Speicherräume von MOF-177 ein, wie Chae mit einer Analyse über Raman-Spektroskopie eindeutig nachweisen konnte. Auch größere, polyzyklische, organische Moleküle fanden ihren Platz in diesen Zwischenräumen. So reicherte sich der Farbstoff Astrazon Organge R auf bis zu 40 Gewichtsprozent in dem Kristall an. Das entspricht rund 16 Farbstoffmolekülen pro MOF-177-Einheit.
"Diese Ergebnisse demonstrieren sogar das Potenzial für eine Größenselektierung in einem Bereich, der bisher mit konventionellen porösen Materialien nicht erreichbar ist", so Chae. So vermuten die Forscher, MOF-177 einerseits als selektiven Filter bei chemischen Prozessen anwenden zu können. Andererseits könnte er sich auch als leichter, effektiver Speicher eignen, z. B. für Gase wie Wasserstoff oder für medizinische Wirkstoffmoleküle.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
H. K. Chae et al., A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals, Nature 427, 523 (2004).
http://dx.doi.org/doi:10.1038/nature02311 - University of Michigan:
http://www.umich.edu - Materials Design and Discovery Group:
http://www.umich.edu/~yaghigrp - Wasserstoff-Speicherung in MOF (pdf):
http://www.swarthmore.edu/NatSci/chemistry/Yaghi3.pdf - Weitere Forschungsartikel auf pro-physik.de finden Sie in der Rubrik Forschung.
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Weitere Literatur:
- M. E. Davis, Ordered porous materials for emerging applications, Nature 417, 813.
- O. M. Yaghi, Reticular synthesis and the design of new materials, Nature 423,
