Porous Metal-Organic Frameworks (MOFs)


Poröse Materialien spielen eine Schlüsselrolle in der Entwicklung neuer Technologien für die Energiespeicherung, Luft und Wasseraufbereitung, Sensorik, Katalyse und Medizin. Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metal-Organic Frameworks, kurz: MOFs) wurden in den letzten Jahren als eine neue Klasse poröser Materialien identifiziert, die in Bezug auf ihr Speichervermögen signifikant über das etablierter Materialien (Aktivkohle, Zeolithe) hinausgehen. Sie sind durch einen modularen Aufbau gekennzeichnet, der eine rationale Konstruktion maßgeschneiderter Porengrößen ermöglicht. Damit können Poren in Größe und Funktion an das selektiv zu adsorbierende Molekül systematisch angepasst werden. Der baukastenartige Aufbau aus einem anorganischen Cluster und einem organischen multifunktionellen Liganden (engl.: Linker) ermöglicht zudem die gezielte Integration von Funktionen und Erkennungsmustern, welche zu spezifischen Wechselwirkungen führen.



Die Entdeckung der MOFs gelang amerikanischen und japanischen Wissenschaftlern in den 90er Jahren. In Deutschland hingegen hat man erst vor wenigen Jahren MOFs als neue poröse Materialien mit herausragenden Eigenschaften identifiziert, obwohl in Deutschland exzellente Expertise in der Synthese, Strukturaufklärung sowie der Integration poröser Materialien in Systeme wie Katalysatoren, Membranen und Sensoren vorhanden ist.



Um zu verhindern, dass Deutschland den Anschluss in diesem innovativen Technologiesektor verliert, beschäftigt sich das geplante Schwerpunktprogramm mit der Herstellung, den physikalischen Eigenschaften und der gezielten Integration von Funktionen in MOFs. Dabei sollen durch Auswahl geeigneter Bausteine spezifische Wechselwirkungen zwischen Molekülen und dem Netzwerk integriert werden, welche die Speicherung, sensorische Erfassung, stoffliche Umsetzung oder Reinigung von molekularen Stoffen in MOFs ermöglichen. Auf diese Weise sollen neue Materialien für die Energiespeicherung in Form von kleinen Molekülen wie Wasserstoff oder Methan hergestellt werden. Für die Sensorik stehen Materialien im Vordergrund, welche eine Änderung der optischen oder elektrischen Eigenschaften für die Detektion von Molekülen nutzen. Bei der stofflichen Umsetzung durch Katalyse sind solche Materialien von Bedeutung, die spezifische, katalytisch aktive Stellen im Gerüst bieten. In allen diesen Fällen steht das grundlegende Verständnis der Wechselwirkungen zwischen dem Gerüst und den adsorbierten oder reagierenden Molekülen im Vordergrund. Insbesondere physikalische Methoden wie Röntgen- und Neutronenbeugung, Adsorptionsmessungen, magnetische Kernresonanzspektroskopie und andere spektroskopische Methoden können zur lokalen Analyse der Bindungsstellen genutzt werden. Dabei gilt es, bevorzugte Adsorptionsplätze im porösen Gerüst sowie die strukturelle Dynamik von Molekülen innerhalb der Pore zu ermitteln. Hierzu ist eine modellhafte Beschreibung durch moderne theoretische Methoden (DFT, Molekulardynamik) unerlässlich, um experimentelle Ergebnisse interpretieren zu können.



Die intensive Zusammenarbeit von synthetisch, physikalisch analytisch und theoretisch arbeitenden Arbeitsgruppen mit Wissenschaftlern, die physikalische Eigenschaften und Funktionen prüfen, führt zu einem grundlegenden wissenschaftlichen Verständnis der Wirt-Gast-Wechselwirkungen von Molekülen in MOFs. Dieses Verständnis ist entscheidend, um den modularen Aufbau für die gezielte Integration neuer Funktionen in MOFs nutzen zu können.


Principal Investigators
Sauer, Joachim Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. (Details) (Theoretical Chemistry / Quantum Chemistry)

Duration of Project
Start date: 08/2008
End date: 08/2011

Last updated on 2020-14-03 at 23:15