02.10.2018

Weltrekord der Hohlräume

Hochporöses Material ist wertvoller als Diamanten.

Porosität ist der Schlüssel zu Hochleistungsmaterialien für Energie­speicher, Umwelt­techno­logien oder Kata­lysa­toren: Je löch­riger ein Fest­körper, umso mehr Flüssig­keiten und Gase kann er speichern. Doch zugleich macht eine Viel­zahl von Poren die Materi­alien instabil. Auf der Suche nach den Stabi­litäts­grenzen von solchen Gitter­ver­bin­dungen haben Forscher der TU Dresden jetzt einen Welt­rekord auf­ge­stellt: DUT-60 ist eine neue kristal­line Netz­werk­struktur mit der welt­weit höch­sten spezi­fischen Ober­fläche und dem höch­sten jemals gemes­senen spezi­fischen Poren­volumen unter allen bekannten kristal­linen Netz­werk­materi­alien.

Abb.: Die Netzwerkstruktur von DUT-60 fasst ein Poren­volumen von 5,02 cm3g-1 – das welt­weit höchste jemals gemes­sene spezi­fische Poren­volumen unter allen bekannten kristal­linen Netz­werk­materi­alien. (Bild: I. Senkovska, TU Dresden)

Die spezifische Oberfläche beschreibt die Summe aller Grenz­­flächen eines Materials, der äußeren sicht­­baren wie auch der inneren Poren. 90,3 Prozent von DUT-60 sind Hohl­raum. Die metall­orga­nische Gerüst­ver­bin­dung kann eine enorme Menge an Gas auf­nehmen – und auf diese Weise zum Beispiel große Mengen an Gasen speichern oder giftige Gase aus der Luft filtern. „Materi­alien mit derart hohen spezi­fischen Ober­flächen könnten neue Phäno­mene zeigen, die bis heute noch unbe­kannt sind“, erläutert Stefan Kaskel von der TU Dresden die Bedeu­tung des neuen Materials für die Wissen­schaft. „Stellt man sich die innere Ober­fläche eines Gramms Zeolithe als ebene Fläche vor, erstreckt sich diese über rund acht­hundert Quadrat­meter, Graphen liegt knapp unter drei­tausend Quadrat­meter. Ein Gramm DUT-60 hin­gegen würde 7800 Quadrat­meter Fläche erreichen.“

Das Material wurde am Computer entworfen und anschließend gezielt synthe­ti­siert. Nur wenige Ver­bin­dungen nied­riger Dichte sind mecha­nisch stabil genug, um sie für Gase zugäng­lich zu machen, ohne dass diese die Ober­flächen zer­stören. „Es hat fünf Jahre gedauert von der Ent­wick­lung am Computer bis zum reinen Produkt DUT-60“, resümiert Kaskel. „Auf­grund seiner sehr schwie­rigen Her­stel­lung ist das Material teurer als Gold und Dia­manten und kann bisher nur in Kleinst­mengen von maxi­mal fünfzig Milli­gramm pro Ansatz her­ge­stellt werden.“ Der bis­herige Welt­rekord lag bei dem 2012 von Omar Farha von der North­western Univer­sity in den USA ent­wickelten Material NU-110, dessen Poren­volumen von 4,40 cm3g-1 deut­lich unter dem neuen Rekord­halter liegt. DUT-60 markiert einen bedeu­tenden Schritt bei der Erfor­schung der Ober­grenzen von Poro­sität in kristal­linen porösen Fest­körpern und gibt Impulse für die Ent­wick­lung neuer Methoden zur Bestim­mung innerer Ober­flächen.

Kaskel und weitere Wissenschaftler forschen innerhalb einer DFG-Forschungs­gruppe intensiv an der Her­stel­lung neuer poröser Materi­alien, die ihre Struktur dyna­misch ändern können und adaptiv ihre Poren­größe anpassen. „Wir arbeiten zudem an Anwen­dungen poröser Materi­alien in den Themen­feldern Gas­speiche­rung, Umwelt­forschung, Katalyse, Batterien und Luft­reini­gung. Metall­orga­nische Netz­werk­materi­alien produ­zieren wir auch im Maß­stab von einigen Kilo­gramm, sie können beim Materials Center Dresden bestellt werden.“

TU Dresden / RK

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