Bestimmung der Realstruktur von multivariaten MOFs

• Antragsteller: Dr. Philipp Urban
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281085878

Die wichtigsten Anwendungen von metallorganischen Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs) liegen im Bereich von Gasseparation und -speicherung sowie Katalyse. Bei der Suche nach Materialien, die für spezifische Funktionen wie die selektive Aufnahme von CO2 gut geeignet sind, wurden multivariate (MTV-) MOFs als vielversprechende Kandidaten erkannt, da einige von ihnen bessere Eigenschaften zeigen als ein Gemenge der univariaten Verbindungen. MTV-MOFs sind kristalline Materialien, welche aus anorganischen Clustern oder Koordinationssphären aufgebaut sind, die ihrerseits durch unterschiedlich funktionalisierte organische Liganden (Linker) miteinander verbunden sind. Die mittlere Struktur solcher Materialen kann durch die Auswertung der Braggbeugung aufgeklärt werden. Zusätzlich tritt aufgrund der irregulären Anordnung der funktionellen Gruppen in der Kristallstruktur diffuse Streuung auf. Um die Anordnung der verschiedenen Linker zu verstehen, ist die Auswertung der diffusen Streuung essentiell. Dadurch wird ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Struktur-Eigenschaftsbeziehung ermöglicht. Das Hauptziel der geplanten Arbeit ist die Beschreibung der Realstruktur von MTV-MOFs mittels Auswertung der diffusen Röntgenstreuung. Gute Einkristalle von MTV-MOFs (d.h. mit intaktem Netzwerk) können mittels einstufigen Solvothermalreaktionen von Metallsalzen mit unterschiedlich funktionalisierten organischen Liganden erhalten werden. Da ein Lösungsmittel zusätzliche Fehlordnung bedingen kann, ist die Arbeit unter Vakuum nötig. Viele Syntheserouten für einkristalline MOFs nutzen Modulatoren, jedoch sollten diese in der geplanten Arbeit nicht verwendet werden, da sie in den Kristall eingebaut werden und dadurch die Periodizität stören könnten, was zusätzliche diffuse Streuung bedingen würde. Für die Analyse der Realstruktur sind Synchrotronbeugungsdaten notwendig. Zusätzlich werden Flächendetektoren mit einem hohen Dynamikumfang benötigt. Die Strukturanalyse umfasst mehrere Schritte: Bestimmung der mittleren Struktur aus der Braggstreuung; Bestimmung der Art der Fehlordnung aus der mittleren Struktur; Transformation der Beugungsdaten von Laborkoordinaten zu Koordinaten im reziproken Raum (Rekonstruktion) sowie die Analyse der diffusen Röntgenstreuung mittels 3D-PDF und Monte-Carlo-Methoden. Die Bestimmung der mittleren Struktur muss mit großer Sorgfalt durchgeführt werden, da die nachfolgende Untersuchung der diffusen Röntgenstreuung von den Ergebnissen dieser Bestimmung abhängt. Während die 3D-PDF geeignet ist, qualitative Rückschlüsse auf die Art und Richtung der im untersuchten Material vorhandenen Korrelationen zu ziehen, können zur Verfeinerung sowohl 3D-PDF als auch Monte-Carlo-Methoden genutzt werden. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen wird die geplante Arbeit zu einem besseren Verständnis der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von multivariaten MOFs führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Omar M. Yaghi