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Entwicklung neuer Molekularsiebe

Forscher entwickeln organische Rahmenbedingungen, die Antibiotikarückstände aus dem Wasser sieben könnten

11.06.2019

Illustration by Joy Smoker

Molekularsiebe sind in vielen industriellen Prozessen einsetzbar, insbesondere in der Chemie- und Energiebranche.

Ein internationales Forscherteam hat kürzlich kovalente organische Gerüste auf Polyaryletherbasis synthetisiert, das stabilste kristalline poröse Material aller Zeiten. Das Team, zu dem auch der Yushan Yan Yan der University of Delaware und der Qianrong (Frank) Fang der Jilin University gehören, ein ehemaliger Postdoc mit Yan an der UD, beschrieb ihre Ergebnisse in der internationalen Fachzeitschrift Nature Chemistry.

Einige Materialien wirken wie Siebe und lassen Moleküle durch ihre Poren passieren. Diese Materialien, so genannte Molekularsiebe, sind in vielen industriellen Prozessen, insbesondere in der Chemie- und Energiebranche, einsetzbar. Sie können verwendet werden, um Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen. Sie haben auch Aufmerksamkeit für potenzielle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Schienenverkehr, im Automobilbau und mehr erhalten, aber bisher waren ihre Anwendungen durch ihre Instabilität unter extremen Bedingungen begrenzt.

Yan, der Distinguished Engineering Professor am Department of Chemical and Biomolecular Engineering, untersucht seit seiner Doktorarbeit in den frühen 90er Jahren kristalline poröse Materialien wie Zeolith. Für seine Zeolith-Dünnschichtarbeit erhielt er den Donald Breck Award, die höchste Auszeichnung der International Zeolite Association im Jahr 2010. Als Fang 2009 seiner Gruppe beitrat, begann das Paar, eine neue Klasse von kristallinen porösen Materialien zu erforschen, die kovalente organische Gerüste genannt werden, die durch kovalente Bindungen verbunden sind, die viel versprechend sind, aber manchmal durch die verfügbaren Chemikalien und ihre Instabilität unter rauen Bedingungen, wie starken Säuren und Basen, begrenzt sind.

Yan und Fang waren die ersten, die kovalente organische Gerüste mit stabiler Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung (Imid) herstellten, und sie haben seitdem, zuerst an der UD und dann an der Jilin University, nachdem Fang die UD verlassen hat, um eine angesehene Position der Fakultät zurück in China einzunehmen, daran gearbeitet, kovalente organische Gerüste zu entwickeln, die auf Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen basieren. Sie erwarteten, dass diese Materialien stabil sein würden - wenn sie sie nur herstellen könnten.

Dazu fertigten sie Gerüste aus Polyarylether, einem hochstabilen technischen Kunststoff. Durch die sorgfältige Konstruktion der Skelette auf der Grundlage neuer stabiler Bindungen stellten sie ein Material her, das stabiler war als jedes andere seiner Art.

"Sobald Sie die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung haben, ist dieses poröse Material stabil in starker Säure, starken Basen und starken Oxidantien", sagt Yan. Auch die Gerüste sind bis zu 400 Grad Celsius stabil. "Unter den porösen kristallinen Materialien, organischen oder anorganischen, ist dies das stabilste."

Für den nächsten Schritt stellte das Forschungsteam kovalente organische Gerüste auf Polyaryletherbasis her, die Antibiotikarückstände aus dem Wasser in einem pH-Bereich von 1 bis 13 heraussieben konnten.

In der Arbeit schloss die Forschungsgruppe: "Diese stabilen COFs[kovalente-organische Gerüste] sind eine perfekte Plattform für die Herstellung von Funktionsmaterialien, die unter extremen chemischen Bedingungen eingesetzt werden können."

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