Thermischer Transport in inorganisch-organischen Gerüstverbindungen

• Antragsteller: Dr. Gregor Kieslich
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253095348

In den letzten Jahren entwickelte sich das Forschungsfeld der anorganisch-organischen Hybrid-Materialien in eines der am schnellsten wachsenden Gebiete in den Materialwissenschaften. Gewöhnlich unterteilt in (i) nanoporöse hybridische Gerüstverbindungen (MOFs, metal organic frameworks) und (ii) dichte, hybridische Gerüstverbindungen, besitzt diese Materialklasse viele interessante Eigenschaften mit möglichen Anwendungen als Gasspeicher, Katalysatoren, Sensormaterialien und Wirkstofftransportreagenzien.Bisher fokussierte sich der Großteil der Forschung auf strukturelle, Adsorptions- und Diffusions- Eigenschaften. Für die Anwendung ist jedoch eine detaillierte Aufklärung der thermischen Transporteigenschaften notwendig, da sich lokale Temperaturänderungen, verursacht z.B. durch Adsorptions-/Desorptionsprozesse sehr starken Einfluss auf Eigenschaften ausüben können.Das hier vorgestellte Projekt fokussiert sich daher auf die Untersuchung der thermischen Transporteigenschaften in anorganisch-organisch Gerüstverbindungen. Der erste Schritt in Richtung eines umfassenden Verständnisses besteht in der Messung der temperaturabhängigen thermischen Leitfähigkeit. Die 3 Methode wurde als bestmögliche Messmethode identifiziert, welche die Bestimmung geringer thermischer Leitfähigkeiten von (kleinen) Einkristallen in einem breiten Temperaturfenster 5 - 300 K ermöglicht.Zeolithartige Gerüstverbindungen auf Imidazolatbasis (ZIFs) und Hybride mit perowskitartiger Kristallstruktur (ABX3) stehen zunächst im Fokus der Untersuchungen. Die topologische Vielfalt der ZIFs und die interessanten temperaturabhängigen magnetischen- sowie strukturellen Übergänge perowskitartiger Hybride erlauben die Bestimmung des Einflusses einzelner Struktur-Baueinheiten auf die thermische Leitfähigkeit. Ergebnisse der Modellierungen der temperaturabhängigen thermischen Leitfähigkeiten werden dann verglichen mit den gesammelten experimentellen Daten und evtl. Modifikationen in der theoretischen Beschreibung eingefügt. Das ausgearbeitete Konzept wird dann verglichen mit experimentellen Daten weiterer hybridischer Verbindungen wie z.B. Ceriumoxalate und Kupferphosphonate.Das erlangte Verständnis wird dann genutzt um die thermoelektrischen Eigenschaften von halbleitenden Hybriden zu untersuchen und zu optimieren. Aufgrund der geringen thermischen Leitfähigkeit auf der einen Seite und des periodischen Aufbaus auf der anderen Seite, weisen hybridische Gerüstverbindungen Merkmale von amorphen und kristallinen Materialien auf. Damit erfüllen sie das Konzept des phononen-Glas Elektronen-Kristalls, welche das ideale thermoelektrische Material beschreibt. Damit verknüpft das Projekt fundamentale und anwendungsorientierte Gesichtspunkte im Gebiet der anorganisch-organischen Hybridmaterialien und trägt nicht nur zum Grundverständnis von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in hybridischen Materialien bei, sondern etabliert auch eine neue Materialklasse im Forschungsfeld der Thermoelektrik.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Anthony K. Cheetham