Metallorganische Netzwerke
Metallorganische Netzwerke (Metal-Organic Frameworks, MOFs) sind eine relativ neue Klasse kristalliner Materialien, bei denen Metallionen oder Metall-Oxo-Cluster und organische Linker in einem hochgeordneten und mikroporösen dreidimensionalen Netzwerk verbunden sind. Diese Materialien finden Anwendung in vielen technologisch wichtigen wissenschaftlichen Bereichen, wie in der Gastrennung und –speicherung, in Lithiumionen-Batterien, Sensoren und der (Foto)katalyse.
Der Fokus unserer Forschung liegt auf der Synthese von MOFs (sowohl in Form von Makro- als auch Nanostrukturen), deren Charakterisierung sowie Anwendung in der foto(elektro)chemischen Wasserstofferzeugung aus Wasser.
Im Besonderen verwenden wir die elektrochemische Abscheidung, um Metall- oder Metalloxid-Nanodrähte in Templaten von Polycarbonat-Membranen abzuscheiden. Diese Metall- oder Metalloxid-Nanodrähte werden anschließend mittels elektrochemischer Oxidation in MOFs umgewandelt: Während der Oxidation, die in einer Lösung durchgeführt wird, die den entsprechenden organischen Linker enthält, wird das Metall zu seinen Kationen zurückoxidiert und die ursprünglichen Nanodrähte werden in die MOF-Nanodrähte umgewandelt. Nach dem Entfernen des Polycarbonat-Templats wird eine Anordnung von MOF-Nanodrähten erhalten.
In einem weiteren Projekt wird der gesamte Prozess (die elektrochemische Abscheidung und die elektrochemische Oxidation) für die Herstellung von MOF-Mikrostrukturen ohne die Verwendung von Templaten durchgeführt. Dafür müssen die optimalen elektrochemischen Bedingungen gefunden werden, um die metallischen Mikrostrukturen unter Beibehaltung der ursprünglichen Form und Größe in MOF-Mikrostrukturen zu oxidieren. Hierbei wird nach der elektrochemischen Oxidation ein Kern-Schale (core-shell)-Hybrid-Material erhalten, bei dem das MOF eine Beschichtung auf dem metallischen Mikrokristall bildet.
Es wurde mit der Elektrodeposition von Cu2O-Mikrokristallen mit einer vordefinierten Geometrie begonnen. Diese Mikrokristalle werden elektrochemisch in einer Wasser-Ethanol-Lösung mit ausgewählten organischen Linkern oxidiert. Durch Variation der Bedingungen der elektrochemischen Oxidation, wie der Konzentration, der Temperatur, dem Potential, usw., ist es möglich die endgültige Form und Größe der synthetisierten MOF-Kristalle zu verändern.
Die Prozessbedingungen für die elektrochemische Oxidation der Cu2O-Mikrokristalle in Cu2(BTC)3 konnten so optimiert werden, dass die mikroskopischen Dimensionen und die Geometrie der Ausgangsmikrostruktur beibehalten wird. Es ist wichtig die Geometrie der Ausgangsmikrostruktur beizubehalten, weil dann die fotokatalytischen Eigenschaften der MOF-Mikrostrukturen untersucht und mit denen von MOF-Pulvern und MOF-Dünnfilmen verglichen werden können.
