Gläser von metallorganischen Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) sind eine neue Klasse von Glasmaterialien mit immensem Potenzial für Anwendungen in der Optik, Gastrennung und Ionenleitung. Aufgrund der inhärenten Schwierigkeit, die atomistische Struktur amorpher Gläser zu bestimmen, ist die strukturelle Porosität der MOF-Gläsern nur unzureichend bekannt. In einer aktuellen Pub­li­ka­tion im renommierten Journal Nature Communications berichten Chemiker der Arbeitsgruppe Henke erstmals über die Vermessung der Porosität von MOF-Gläsern durch Sorption von CO₂ und verschiedenen Kohlenwasserstoffgasen. Die gewonnenen Erkenntnisse sind von Be­deu­tung für künftige Anwendungen von MOF-Gläsern in hocheffizienten Membranen für die Gasseparation und als Festkörperelektrolyte in der Batterietechnik.

MOFs sind kristalline Materialien, die modular aus anorganischen und organischen Bau­stei­nen aufgebaut sind und Poren im Nanometerbereich aufweisen. Durch die Möglichkeit die Form und Größe der Hohlräume durch Wahl der Bausteine variabel einzustellen 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 der MOF-Schmelze in Gläser überführt werden. Im Gegensatz zu hochgeordneten kristallinen Feststoffen, handelt es sich bei Gläsern um ungeordnete Feststoffe, deren Struktur einer "eingefrorenen" Flüssigkeit ähnelt. Die Möglichkeit der Formgebung in der flüssigen Schmelze eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten für die Verarbeitung und Anwendung der MOF-Gläser. Während die Porosität von kristallinen MOFs bereits sehr gut erforscht und verstanden ist, ist die Porosität der neuartigen MOF-Gläser bisher nur unzureichend untersucht worden.

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.

Zur Pub­li­ka­tion:

Quantification of gas-accessible microporosity in metal-organic framework glasses
L. Frentzel-Beyme, P. Kolodzeiski, J.-B. Weiß, A. Schneemann, S. Henke
Nat. Commun. 2022, 13, 7750

Zur Arbeitsgruppe Henke:
www.ccb.tu-dortmund.de/henke