13.09.2021 - University of Delaware

Mit Strom der Chemie auf die Sprünge helfen

Entwicklung der Universität Delaware eröffnet Zugang zu neuen Materialien für Katalyse, Sensorik und Gasspeicherung

Metal organic frameworks (MOFs) sind eine vielversprechende Materialklasse, die zahlreiche Anwendungen als Katalysatoren, Sensoren und zur Gasspeicherung bietet. MOFs, die in den letzten zwei Jahrzehnten intensiv erforscht wurden, werden in der Regel durch chemische Verfahren hergestellt, die große Hitze und hohen Druck erfordern.

Jetzt berichten die Chemiker Joel Rosenthal und Eric Bloch von der University of Delaware, dass es möglich ist, MOF-Materialien auf Eisenbasis direkt mit erneuerbarer Elektrizität bei Raumtemperatur herzustellen.

Die von der UD entwickelte Methode nutzt Elektrizität mit einer Effizienz von 96 %, um die MOF-Materialien schnell, zuverlässig und kostengünstig herzustellen. Die UD-Forscher berichten über diesen Fortschritt in einem neuen Artikel, der in ACS Central Science, einer Zeitschrift der American Chemical Society, veröffentlicht wurde.

Laut Rosenthal, Professor für Chemie und Biochemie am College of Arts and Sciences der UD, kann man sich MOFs ganz einfach wie ein Spielzeug vorstellen, bei dem Cluster aus Metallatomen die hölzernen Räder und kleine organische Moleküle die spindeldürren Stäbe darstellen, die die Cluster miteinander verbinden.

Dazwischen befinden sich Hohlräume mit einem enormen Potenzial für die Speicherung und Trennung von Chemikalien. Ein erbsengroßer Haufen MOF-Material hat zum Beispiel eine innere Oberfläche von der Größe zweier Fußballfelder, die zur Speicherung von Gasen wie Methan oder Wasserstoff, zur Trennung von Gasen und zur Katalyse von Reaktionen genutzt werden kann. Sie können sogar als Sensoren verwendet werden.

"Die Qualität der Materialien, die wir herstellen können, ist so gut wie bei den besten thermischen Methoden, aber viel skalierbarer und nachhaltiger", so Rosenthal, ein Experte für Elektrochemie. "Unsere Entdeckung ist ein großer Schritt nach vorn, um MOFs zu einer praktischeren Option für viele verschiedene Anwendungen zu machen."

Elektrizität treibt die Chemie an

Eine Herausforderung, die MOFs auf akademische Labors beschränkt hat, ist, dass ihre Herstellung in großem Maßstab schwierig und nicht besonders umweltfreundlich ist. Daher hatte Rosenthal die Idee, die Synthese von MOFs mit Hilfe von Elektrizität auszulösen. Durch den Einsatz von Elektrizität kann die Energiemenge, die in einen Syntheseprozess eingebracht wird, bei Raumtemperatur leicht angepasst werden, wodurch eine sicherere Methode zur Herstellung von MOFs ohne die normalerweise verwendeten hohen Temperaturen, hohen Drücke und manchmal giftigen Reagenzien geschaffen wird.

Wenn man zum Fuß der Delaware Memorial Bridge fährt, sieht man sowohl auf der Delaware- als auch auf der New-Jersey-Seite Chemieanlagen, die jeweils so groß sind wie eine kleine Arena oder ein Stadion. In diesen Anlagen sind einige Reaktoren untergebracht, die eine Handvoll verschiedener chemischer Reaktionen durchführen, um für die Gesellschaft nützliche Chemikalien herzustellen.

"Die effiziente Durchführung vieler thermischer chemischer Prozesse im kommerziellen Maßstab erfordert in der Regel diese große Grundfläche und eine sehr teure Infrastruktur, aber die Elektrochemie bietet eine Möglichkeit, diese Regeln zu durchbrechen", so Rosenthal. "Man muss keine riesige elektrochemische Anlage bauen, um eine elektrochemische Methode effizient zu skalieren. Die Elektrosynthese ist oft vielseitiger, wenn es um die Übertragung von einem akademischen Labor auf den kommerziellen Markt geht.

Die Chemie ist allerdings nicht so einfach, wie wenn ein Kind im Wohnzimmer sitzt und Räder und Stäbchen miteinander verbindet. Die bisherigen Fortschritte bei der MOF-Synthese waren durch die Kombinationen von Metallen, die verwendet werden können, und die Arten von synthetischen und organischen Materialien, die mit thermischen Verfahren kombiniert werden können, begrenzt.

Die Arbeit konzentriert sich speziell auf die Herstellung von MOF-Materialien mit Clustern aus Eisenatomen. Rosenthal und Bloch sind nicht die ersten, die Eisen-MOFs herstellen. Traditionell, so Rosenthal, stellen Forscher diese Materialien her, indem sie ein Eisen(3+)salz, ein organisches Molekül und ein relativ teures Lösungsmittel nehmen, das sich unter bestimmten Reaktionsbedingungen zersetzt, und das Ganze in einem versiegelten Behälter bei hohem Druck mindestens einen Tag lang, manchmal mehrere Tage lang, erhitzen und ihn dann öffnen, um zu sehen, was dabei herauskommt.

Im Gegensatz dazu beginnen er und Bloch mit einer Lösung, die Lösungsmittel, organische Moleküle und Eisen(2+)-Ionen enthält, die ein zusätzliches Elektron haben, das das Verhalten des Eisens verändert. Die Forscher verwenden eine Elektrode, die entweder aus Kohlenstoff oder einer Art leitendem Glas besteht, um Strom durch die Lösung zu leiten und die Ladung der Metallteilchen in der Lösung von Eisen (2+) auf Eisen (3+) umzuschalten. Es ist wie ein Schalter, der das Eisen stärker auflädt, so dass es das MOF auf direkte und effiziente Weise herstellen kann, ohne Nebenreaktionen oder Auswirkungen, die für die traditionellen Methoden der thermischen Chemie typisch sind.

"Während die Elektrode dem Eisen Elektronen entzieht, sucht sich das Eisen einen organischen Linker und bildet ein MOF. Das Verfahren ist fast zu 100 % effizient, denn jedes Elektron, das wir bewegen, führt zu einer MOF-Synthese. Es gibt keine Nebenreaktionen oder unerwünschten Produkte", so Bloch, Assistenzprofessor für Chemie und Biochemie, der sich auf metallorganische Gerüste und adsorptive Materialien spezialisiert hat.

Wenn die richtige Art von Elektrode verwendet wird, ist es außerdem möglich, mehr zu tun als das MOF-Produkt zu erzeugen und zu sammeln. Das Forschungsteam kann das Material direkt auf dem elektrisch leitfähigen Substrat wachsen lassen, ein Vorteil, der es ermöglichen könnte, MOFs in verschiedenen Geräten und strukturierten Trägern zu verwenden, so dass fortschrittliche MOF-Sensoren in Reichweite rücken.

Rosenthal erläuterte, dass man, um aus einem MOF einen Sensor zu machen, eine Möglichkeit braucht, es mit einem elektrisch leitenden Träger zu verbinden, um eine Anzeige zu erhalten. Bis jetzt habe die Forschung noch nicht herausgefunden, wie man das am besten macht, sagte er. Die elektrochemische Synthese und das Wachstum des MOF auf dem Elektrodenträger des UD-Teams bietet eine Möglichkeit, das MOF fest zu verdrahten, um die Kommunikation zwischen den Materialien zu verbessern.

Diese Technologie könnte in Miniatursensoren zum Einsatz kommen, beispielsweise in Mobiltelefonen zur Messung der Luftqualität oder zur selektiven Erkennung von Partikeln in der Luft im Rahmen von Sicherheitsmaßnahmen an Flughäfen.

"Die Erkennung von Gasen und Molekülen kann jetzt ziemlich einfach sein, ähnlich wie ein Rauchmelder, der eine Gasart aufgrund ihrer Reaktivität besser erkennt als eine andere", sagt Bloch.

Die elektrosynthetische Reaktion ist auch schnell, so dass sich innerhalb von Minuten MOF-Pulver in der Lösung bildet. Und während Materialien, die zu lange in der Lösung verbleiben, sich oft mit der Zeit zersetzen oder aufgrund von Nebenreaktionen zu einem völlig anderen Material werden, sind die durch Elektrosynthese erzeugten MOF-Materialien stabil und setzen sich einfach auf dem Boden des Fläschchens ab. Da der elektrosynthetische Prozess bei Raumtemperatur durchgeführt wird, ist die Zersetzung des Materials weit weniger problematisch.

Je länger die Elektrolyse läuft, desto größer ist die Menge an MOF-Material, die als Produkt abgeschöpft werden kann. Die Einfachheit der Methode macht sie vielseitig einsetzbar, wenn es darum geht, sie von einem akademischen Labortisch auf den kommerziellen Markt zu übertragen, so die Forscher.

Die Doktorandin Anna Weaver, eine Mitautorin der Arbeit, kam erst diesen Sommer an die UD, aber Rosenthal sagte, dass sie eine Schlüsselrolle bei der Demonstration der Wirksamkeit der Methode des Teams spielte. Weaver führte mehrere Experimente im Spätstadium durch, die zusätzliche Daten für die Studie lieferten.

"Annas Fähigkeit, so schnell Beiträge zu leisten, spricht sowohl für ihre Talente als auch für die Leichtigkeit, mit der diese Chemie durchgeführt werden kann. Man muss keine dunkle Kunst erlernen, um dies zum Laufen zu bringen", sagte er.

Die elektrisch betriebene Chemie eröffnet auch die Möglichkeit, Materialien zu erforschen, denen hervorragende Eigenschaften für MOFs vorhergesagt wurden, wie z. B. solche auf Kobaltbasis, die aber noch unbekannt sind, weil sie mit der herkömmlichen Chemie, die auf Wärme zur Ingangsetzung der Reaktion angewiesen ist, nicht kompatibel sind.

"Wir wissen, dass bestimmte Metalle als Katalysatoren für MOFs phänomenal wären, aber die normalen Methoden funktionieren nicht. Wir glauben, dass dies ein Weg ist, um neue MOFs herzustellen, die stabil und sehr reaktiv sind und ganz andere Eigenschaften haben, als wir bisher erreichen konnten", so Bloch.

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