Porosität von metallorganischen Gläsern vermessen

Gläser aus metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) sind eine neue Klasse von Glasmaterialien mit großem Potenzial für Anwendungen in der Optik, Gastrennung und Ionenleitung. Da es kompliziert ist, ihre atomistische Struktur zu bestimmen, ist die strukturelle Porosität der MOF-Gläser bislang nur unzureichend bekannt. Chemiker der Arbeitsgruppe von Prof. Sebastian Henke aus der Fakultät für Chemie und Chemische Biologie haben nun erstmals die Porosität von MOF-Gläsern durch die Sorption von Kohlenstoffdioxid und verschiedenen Kohlenwasserstoffgasen vermessen können. Ihre Erkenntnisse wurden kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für künftige Anwendungen von MOF-Gläsern in hocheffizienten Membranen für die Gasseparation und als Festkörperelektrolyte in der Batterietechnik.

MOFs sind kristalline – also geordnete – Materialien, die modular aus anorganischen und organischen Bausteinen aufgebaut sind und Poren im Nanometerbereich aufweisen. Durch die Wahl der Bausteine lassen sich Form und Größe der Hohlräume variabel einstellen. Dank dieser Möglichkeit sind MOFs für Anwendungen in der Energiespeicherung, Gastrennung, Ionenleitung und Katalyse interessant. Einige kristalline MOFs können durch Schmelzen bei Temperaturen von 400-600 °C und anschließendes Abkühlen in Gläser überführt werden.

Im Gegensatz zu hochgeordneten kristallinen Feststoffen handelt es sich bei Gläsern um ungeordnete Feststoffe, deren Struktur einer „eingefrorenen“ Flüssigkeit ähnelt. Da sich die Formgebung in der flüssigen Schmelze verändern lässt, eröffnen sich zahlreiche neue Möglichkeiten für die Verarbeitung und Anwendung der MOF-Gläser. Die Porosität dieser neuartigen MOF-Gläser ist im Gegensatz zur Porosität von kristallinen MOFs bisher allerdings nur unzureichend untersucht worden.

Neuartige Gläser mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Die Publikation der Arbeitsgruppe von Prof. Sebastian Henke stellt die erste umfassende Untersuchung der Porosität von MOF-Gläsern dar. Mittels CO₂-Sorptionsmessungen bei -78 °C gelang es den Wissenschaftlern um Erstautor Dr. Louis Frentzel-Beyme, die Porosität der MOF-Gläser zu quantifizieren. Durch zusätzliche Sorptionsdaten von Kohlenwasserstoffgasen und Röntgenstreuungsmessungen mit Synchrotronstrahlung lassen sich wichtige Korrelationen zwischen der Molekülgröße der organischen Bausteine und der Porengröße der MOF-Gläser ableiten. „Dies ermöglicht die Formulierung von ersten Konstruktionsprinzipien für die Entwicklung von neuartigen porösen MOF-Gläsern mit maßgeschneiderten Eigenschaften durch Auswahl ihrer organischen Bausteine“, erklärt Prof. Henke.

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