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Nr. 77, 06.07.2013  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Im Kristallkäfig

Energiesparende und umweltfreundliche Produktionsbedingungen zu schaffen, ist eine große Heraus­forderung für die globale Industrie. Neue chemische Ver­bin­dungen aus Kiel könnten ein Meilenstein auf dem Weg zu diesem Ziel sein.


Die Nanopartikel von CAU-1 werden zur Her­stellung von photonischen Kristallen untersucht. Diese werden auf ihre Einsatzmöglichkeit in Sensoren getestet.
Copyright: Anorganische Chemie, LMU München

Während große Poren in der Haut eher ein kosme­tisches Problem darstellen, das es zu kaschieren gilt, ist man im Kieler Institut für Anorganische Che­mie glücklich, wenn wieder neue Verbindungen mit möglichst großen Poren geschaffen wurden. Hier erforscht die Arbeitsgruppe von Professor Norbert Stock metall-organische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs), die extrem poröse Struk­turen aufweisen. MOFs enthalten meist anorga­nische Metall-Sauerstoff- Baueinheiten, die unterein­ander über organische Moleküle verknüpft sind. Die Hohlräume sind mit Durchmessern mit bis zu fünf Nanometern, also fünf Milliardstel Metern, extrem klein. Ein einziges Gramm eines MOF kann jedoch die Oberfläche eines Fußballfeldes aufweisen.

Wozu das Ganze? In die Poren der MOFs können Moleküle eindringen und mit den Porenwänden wech­selwirken. So können unerwünschte Moleküle »herausgefiltert« oder bestimmte Reaktionen ange­stoßen (katalysiert) werden. »Die Kristalle werden beispielsweise für die Abtrennung von Kohlenstoffdioxid untersucht«, erklärt Stock.

Das Prinzip ist nicht neu: Bereits seit den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts werden poröse Verbindungen aus Zeolithen, dass sind Silizium, Aluminium und Sauerstoff, untersucht. Als Wasserenthärter in unseren Waschmitteln binden sie zum Beispiel Calcium-Ionen aus dem Wasser und geben Natrium-Ionen ab. Insbesondere Ölfirmen waren und sind an den Kristallen als Katalysatoren interessiert, um industriell verwertbare Substanzen aus dem Rohöl zu gewinnen. Für Reaktionen von Molekülen mit einem Durchmesser größer als zwei Nanometer sind Zeolithen allerdings ungeeignet: Sie passen schlicht nicht durch deren Poren.

Zu Beginn des neuen Jahrtausends entdeckten französische Forschende schließlich stabile MOFs, in deren großen Hohlräumen, Poren und Käfige genannt, eine Vielzahl anderer Reaktionen möglich ist. Neben der Einlagerung von Gasen lassen sich mit ihnen auch Stoffe trennen, wie zum Beispiel Propan von Propen. Letzteres wird für die Herstellung des Kunststoffes Polypropylen benötigt. Bisher erfolgt diese Trennung unter hohem Energieaufwand. Das ließe sich durch den Einsatz der MOFs ändern. Intensiv wird momentan untersucht, ob sich mit ihnen Medikamente gezielt in den menschlichen Körper schleusen lassen, lassen, wo sie die Wirkstoffe am Zielort langsam abgeben.

Seit 2008 ist die Arbeitsgruppe von Professor Stock in zwei Großprojekten mit der Erforschung und vor allem der Synthese neuer Arten der winzigen Alleskönner beschäftigt. Eines davon ist das von der EU geförderte Projekt MACADEMIA (Metal-organic frameworks As Catalysts and Adsorbents: Discovery and Engineering of Materials for Industrial Applications). Das Netzwerk der beteiligten Forschungseinrichtungen ist riesig: 16 Universitäten und Institute aus Portugal, Spanien, Frankreich, Belgien, England, Schottland, den Niederlanden, Polen, Tschechien und Korea teilen sich unter der Leitung des französischen Mineralölunternehmens TOTAL die Arbeit.

Tausende MOFs wurden weltweit bereits entdeckt, aber nur wenige sind porös und vor allem stabil genug. In Kiel entstehen sie mit dem von Stock entwickelten Hochdurchsatzverfahren. Mit dem »Schnellkochtopf«, einem Reaktor, erläutert der Chemiker, können seine Doktorandinnen und Doktoranden innerhalb eines Tages MOFs mit 48 unterschiedlichen Rezepturen unter hohem Druck und bei Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius herstellen. 14 vielversprechende Verbindungen sind im Kieler Labor bisher entstanden. Angefangen bei CAU-1, einer stabilen Aluminiumverbindung, werden sie alle nach dem Ort benannt, an dem ihre wissenschaftliche Wiege stand.

Innerhalb eines Schwerpunktprogramms der Deutschen Forschungsgemeinschaft prüfen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Stock und seinen Kollegen Professor Ulrich Lüning vom Otto-Diels-Institut für Organische Chemie außerdem, wie die in Kiel synthetisierten Strukturen in Sensoren eingesetzt werden können. Darüber hinaus plant Stock ein Projekt, in dem die Verbindungen als Protonenleiter in Brennstoffzellen fungieren könnten: »Das Potenzial der MOFs ist immens, ihre Herstellung allerdings sehr teuer. Grundsätzlich eignen sich die Kristallkäfige also für jeden Prozess mit hoher Wertschöpfung«, sagt Stock und ergänzt lächelnd: »Abgesehen von den Anwendungen ist es einfach toll, einzigartige Strukturen zu schaffen, die auch noch schön aussehen!«

Denis Schimmelpfennig
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