Blog

Aug 08, 2023

GTUB3 ist das erste mikroporöse Metall

14. Dezember 2022 von der Technischen Universität Berlin Forscher der TU Berlin haben ein neues Material aus der Klasse der mikroporösen, metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF) entwickelt. Einerseits, z

14. Dezember 2022

von der Technischen Universität Berlin

Forscher der TU Berlin haben ein neues Material aus der Klasse der mikroporösen, metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF) entwickelt. Einerseits können solche Verbindungen kleine Moleküle und Gase wie Wasserstoff, CO2 oder auch Giftstoffe speichern. Andererseits eignen sie sich aufgrund der großen Oberfläche, die sich aus dem hohen Porenvolumen ergibt, auch als Material für Elektroden etwa in Superkondensatoren, die deutlich schneller aufgeladen werden können als herkömmliche Batterien.

Eine Studie, die diese Arbeit beschreibt, wurde in der Zeitschrift Advanced Optical Materials veröffentlicht.

Das Problem besteht bisher darin, dass die meisten MOFs sehr schlechte Stromleiter sind. Das von den Forschern entwickelte neue Material namens GTUB3 ist sowohl ein guter Leiter als auch chemisch und thermisch äußerst stabil. Das Besondere daran ist, dass es auch photolumineszierend ist, das heißt, es leuchtet, wenn es mit Licht bestrahlt wird. Dadurch könnte es auch in optoelektronischen Anwendungen und Solarzellen eingesetzt werden.

Metallorganische Gerüste oder MOFs gelten als eine der aufregendsten Materialklassen in der modernen Chemie. Sie bestehen aus Metallatomen, die direkt an organische Moleküle gebunden sind. „Früher schätzten wir solche Kristallstrukturen nur wegen ihrer ästhetischen Schönheit. Manche erinnern tatsächlich an marokkanische Fliesen“, erklärt Dr. Gündoğ Yücesan vom Fachbereich III – Prozesswissenschaften der TU Berlin. „Was sie heute interessant macht, sind die vielen Hohlräume, die mikroporöse MOFs zu idealen Speichermedien machen, sowie ihre großen Oberflächen, die Reaktionen erleichtern.“

Neue Verbindungen dieser Substanzklasse können vor allem aufgrund des modularen Aufbaus ihrer Moleküle sehr systematisch entwickelt werden.

Anorganische Baueinheiten – oder IBUs – sind über langkettige organische Streben, also Linker, miteinander verbunden. Dadurch können großflächige Elementarstrukturen gebildet werden, die sich dann entweder in Schichten wiederholen oder als Bausteine ​​zu Kristallen stapeln.

Obwohl es bereits mehr als 100.000 MOFs gibt, gibt es in einigen Bereichen dieses Forschungsgebiets noch wenig Entwicklung. „Vor allem im Hinblick auf mikroporöse MOFs, die Phosphor enthalten, von denen es bisher weniger als 50 gibt“, sagt Yücesan.

„Sie haben unser Interesse geweckt, weil sich die ersten bekannten Phosphor-MOFs als thermisch und chemisch sehr stabil erwiesen.“ Dies sind ideale Eigenschaften für Elektrodenmaterialien, die lange Zeit in Elektrolyten oder sogar Säuren aushalten müssen, auch wenn es bei Reaktionen heiß wird.

Das Hauptproblem besteht darin, dass MOFs im Allgemeinen Isolatoren sind – eine schlechte Grundeigenschaft für Elektroden, durch die Ladungsträger fließen müssen. Als Reaktion darauf entwickelten Yücesan und sein Team im Jahr 2020 in Zusammenarbeit mit anderen Universitäten und Forschungsinstituten zwei mikroporöse Phosphor-MOFs mit höherer Leitfähigkeit, „TUB75“ und „TUB40“ (benannt nach der TU Berlin).

Die Gründung von GTUB3 bot die Gelegenheit, den Beitrag der Technischen Universität Gebze in der Türkei zu würdigen. Die neue Verbindung enthält neben Phosphonsäure die Metalle Kupfer und Zink sowie Porphyrin, das aus vier Kohlenstoffringen besteht. Alle diese Ausgangsstoffe sind günstig, in großen Mengen verfügbar und ungiftig für Mensch und Umwelt. Im Gegensatz zu seinen beiden Vorgängern ist der Halbleiter GTUB3 in allen drei Raumrichtungen gleichermaßen leitfähig und temperaturbeständig bis 400 Grad Celsius.

Yücesan sieht großes Potenzial für GTUB3 in der Verbesserung von Superkondensatoren, wie sie beispielsweise zur kurzfristigen Stromspeicherung bei der Rückgewinnung von Bremsenergie in Bussen und Bahnen sowie in einigen Autos eingesetzt werden.

Bei diesen Superkondensatoren handelt es sich um elektrochemische Energiespeicher mit sehr hoher Leistungsdichte, die um ein Vielfaches schneller aufgeladen werden können als herkömmliche Batterien. Allerdings speichern sie weitaus weniger Energie als Batterien gleicher Masse. Neue Elektrodenmaterialien – etwa GTUB3 – sollen diese Lücke schließen. „Das neue Compound eignet sich auch für die in der Industrie häufig eingesetzten Dünnschichtverfahren zum Auftragen auf Substrate“, erklärt Yücesan.

Als eine Art zusätzlichen Bonus ist GTUB3 auch photolumineszierend, was bedeutet, dass es bei Bestrahlung Licht abgibt. Dies ist für die Funktion sowohl von Leuchtdioden (LEDs) als auch von Solarzellen unerlässlich.

Dieses Eigenschaftsspektrum mache das neue Material zu einem idealen Ausgangspunkt für die Entwicklung einer ganzen Familie phosphorbasierter MOFs, sagt Yücesan. „Außerdem verfügt Phosphonsäure über eine Vielzahl an Bindungsmöglichkeiten an Metalle, was uns viel Spielraum in unserer Entwicklungsarbeit gibt.“ Für GTUB3, den Kern dieser Familie, hat die TU Berlin bereits ein Patent angemeldet.

Mehr Informationen: Yunus Zorlu et al., Electrically Conductive Photoluminescent Porphyrin Phosphonate Metal-Organic Frameworks, Advanced Optical Materials (2022). DOI: 10.1002/adom.202200213

Zeitschrifteninformationen:Fortschrittliche optische Materialien

Bereitgestellt von der Technischen Universität Berlin