28.06.2019 - Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)

Bleich-induzierte Umwandlung für feuchtigkeitsbeständige Luftfilter

Die Zugabe von Hydrochinon, einem hautbleichenden Bestandteil, zu einem bekannten "metallorganischen Gerüst" (MOF) verändert seine Kupferionen so, dass dieses poröse Material außergewöhnlich stabil in Wasser ist.

"Wir haben eine neue Methode entwickelt, um die Wasserstabilität von metallorganischen Gerüsten zu verbessern, mit Potenzial für Anwendungen, die Luft aus ultrafeinem Staub effektiv filtern und reinigen können, ohne sich durch Feuchtigkeit zu zersetzen", sagt der DGIST-Materialwissenschaftler Nak Cheon Jeong. Die koreanischen Forscher berichteten über ihre Ergebnisse im Journal of the American Chemical Society.

Metallorganische Gerüste (MOFs) werden aus Metallionen hergestellt, die durch organische Verbindungen gebunden sind. Sie bauen sich so auf, dass sich käfigartige innere Strukturen bilden, die dem Material seine poröse Beschaffenheit verleihen. MOFs haben eine beeindruckende Oberfläche im Vergleich zu anderen porösen Materialien. Dies und die Fähigkeit der Wissenschaftler, ihre Strukturen zu optimieren, hat zu ihrem Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen geführt, darunter Gasaufnahme, Molekültrennung, Wirkstoffabgabe und Katalyse. Die meisten MOFs zerfallen in Gegenwart von Feuchtigkeit und Wasser, daher haben Wissenschaftler nach Möglichkeiten gesucht, sie haltbarer zu machen.

Jeong und seine Kollegen fanden heraus, dass die Behandlung eines bekannten MOF auf Kupferbasis, genannt HKUST-1, mit Hydrochinon bei 80°C das Material so stabil machte, dass es nach wochenlangem Eintauchen in Wasser oder sogar nach zwei Jahren Einwirkung feuchter Luft nicht abbaubar war.

Kupferionen und ihre organischen Verbindungen in HKUST-1 bilden große und kleine Käfige mit schaufelradförmigen Metallionenknoten. Normalerweise binden sich Wassermoleküle an Elemente innerhalb dieses MOF, wodurch die Bindungen zwischen den Kupferionen und organischen Verbindungen verschoben werden und das Material abgebaut oder in einen nichtporösen Feststoff umgewandelt wird. Die Hydrochinonbehandlung hingegen führt zu einem sehr stabilen HKUST-1 im Wasser.

Jeong und sein Team fanden heraus, dass ein einzelnes Elektron aus Hydrochinon innerhalb von HKUST-1 auf Kupferionen (Cu2+) übertragen wird, die sie in Kupferionen (Cu+) verwandeln. Diese Veränderung ist selbstlimitierend: Nicht mehr als 30% der Kupferionen verändern sich auf diese Weise. Die Hälfte der Cu+-Ionen verbleibt in ihren Positionen auf den Schaufelradkäfigen von HKUST-1. Aber die andere Hälfte bildet Komplexe, die sich von der Struktur lösen und sich in den kleineren Käfigen des Materials verfangen, wie ein Ship-in-a-Bottle.

Weitere Studien sind erforderlich, um genau zu verstehen, wie diese Veränderungen zu einer so erheblichen Verbesserung der Stabilität von HKUST-1 im Wasser führen.

Jeong und sein Team glauben, dass das gleiche Konzept auch auf andere kupferbasierte Schaufelrad-MOFs angewendet werden könnte. Sie planen, Folgeuntersuchungen über mögliche praktische Anwendungen ihres Ansatzes durchzuführen.

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