Rationales Design von Architekturen zur molekularen Gasspeicherung

Metallorganische Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks, MOF) sind gut zur Lagerung von Gasmolekülen geeignet. EU-finanzierte Forscher entwickelten neuartige Formen dieser Strukturen, die ihr Gerüst öffnen öffnen und Moleküle unterbringen können, die auf andere Weise nicht einzupassen sind.

Energie

Metallorganische Gerüststrukturen bestehen, wie es ihr Name schon verrät, aus metalloxidischen Knotenpunkten und organischen Verbindungselementen. Resultat sind sehr poröse Strukturen aus Hohlräumen, die durch Fenster getrennt sind und sehr große Oberflächen aufweisen. Metallorganische Gerüststrukturen sind aufgrund der Stärke ihrer chemischen Bindungen im Allgemeinen recht starr und chemisch stabil. Mit Hilfe der Modularität dieser metallorganischen Gerüststrukturen lässt sich ein rationales Design von maßgeschneiderten Porensystemen verwirklichen. Kombiniert man diese mit mikroporösen Zeolithen, die vielfach die gleichen Eigenschaften haben und bereits weltweit zahlreich angewendet werden, so erhält man nanoporöse zeolithische Imidazolgerüste (zeolitic imidazole framework, ZIF). Zeolithische Imidazolgerüste haben in Bezug auf ihr Potenzial zur Gasspeicherung große Aufmerksamkeit erregt. Hierbei geht es beispielsweise um Energieanwendungen wie die Speicherung von Wasserstoff (H2) oder Methan (CH4) und die Kohlendioxidabscheidung und -speicherung. Während hier große Chancen verborgen sind, funktioniert die Entdeckung neuartiger zeolithischer Imidazolgerüste zur Gasadsorption (Haftung der Gasmoleküle an der ZIF-Oberfläche) weitgehend nach der Methode Versuch und Irrtum. So wollten europäische Forscher ein rationales Herangehen auf dem Gebiet der Herstellung zeolithischer Imidazolgerüste in Gang bringen und erhielten Finanzmittel im Rahmen des Projekts DASZIF ("Rational design and synthesis of zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs): An experimental and statistical approach"). Molekulare Simulationen führten zur Identifizierung optimaler zeolithischer Imidazolgerüststrukturen, die dann bezüglich der Adsorption verschiedener Gase synthetisiert und charakterisiert wurden. Der Grund für die Differenzen zwischen den erwarteten und den erzielten Adsorptionsprofilen wurde im Folgenden durch Simulationsstudien geklärt. Die Wissenschaftler identifizierten als Ursache das Gleichgewicht zwischen der Stärke der Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wechselwirkungen und Flüssigkeit-Feststoff-Wechselwirkungen, die selbst eine Funktion von Flüssigkeitstyp und Porengröße sind. Eine spannende Erkenntnis, die auf früheren Resultaten aufbaute, zeigte die Adsorption von Gasmolekülen, die größer als die Fenster zwischen den Hohlräumen waren. Die Wissenschaftler verfolgten diese Spur und demonstrierten im Experiment die strukturelle Flexibilität der zeolithischen Imidazolgerüste aufgrund einer Änderung der Imidazolat-Linker. Die Veränderungen zogen eine Vergrößerung der Porenfenster nach sich. Das Team charakterisierte ferner diesen Effekt in Bezug auf die Adsorption einer Vielzahl von für den Energiebereich wichtigen Gasen. Die Entwicklung neuer zeolithischer Imidazolgerüste, eine detaillierte Charakterisierung von deren Adsorptionseigenschaften und die Demonstration der strukturellen Flexibilität könnte wichtige positive Auswirkungen auf den Einsatz bei der Gasspeicherung im Bereich der Energieversorgung und für Kohlenstoffbindungssysteme haben.

Rational Design and Synthesis of Zeolitic Imidazolate Frameworks (ZIFs): an experimental and statistical approach

Rationales Design von Architekturen zur molekularen Gasspeicherung

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