Poröse Alkalimetall-organische Gerüstverbindungen – Von der Synthese zur Anwendung

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Henke
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415553115

Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metal-Organic Frameworks, MOFs), eine Familie nanoporöser, anorganisch-organischer Koordinationsverbindungen, versprechen großes Potenzial für die Entwicklung von ressourcen- und energieeffizienten technologischen Prozessen und Anwendungen (z.B. in der Katalyse, Kohlendioxidabtrennung, Gasspeicherung oder der Sensorik). Diese Koordinationsverbindungen sind üblicherweise aus d-Block-Metallionen oder Gruppe-13 Metallionen aufgebaut, welche über organische Linker zu porösen Netzwerken verknüpft werden. MOFs auf Basis von Alkalimetallionen sind dagegen kaum bekannt, was an der sehr variablen und schlecht vorhersagbaren Koordinationschemie (Koordinationszahl und -geometrie) dieser Ionen liegt. Poröse alkalimetallorganische Materialien besitzen allerdings großes Potential für Anwendungen in der Batterietechnik und sind außerdem hochinteressant aus Sicht der koordinationschemischen Grundlagenforschung. Dem Mangel an funktionalen Alkali-MOF-Strukturen wollen wir in dem Projekt begegnen, um die Lücke zu den wohletablierten MOFs, welche hauptsächlich auf Metallionen späterer Gruppen basieren, teils zu schließen. Aufbauend auf sehr vielversprechenden Vorarbeiten wollen wir durch spezifisches Design der organischen Baueinheiten (Linker) ein Konzept für die gezielte Synthese von robusten, isoretikularen, Carboxylat-basierten Natrium-MOFs entwickeln. Neben der detaillierten Charakterisierung dieser neuen Materialien mittels Röntgendiffraktion, Thermogravimetrie, Gassorption und spektroskopischer Methoden, wollen wir das Potential der porösen Natrium-MOFs für Anwendungen als Elektrodenmaterialien in Natriumionen-Batterien und als Festkörperelektrolyte evaluieren und bewerten. Strategische Ziele:- Entwicklung der ersten Serie isoretikularer Natrium-MOFs mit variablen Porengrößen, Porenvolumina und Funktionalitäten.- Evaluation der Performance der Natrium-MOFs als aktive Elektrodenmaterialien für Natriumionen-Batterien. - Entwicklung einer effizienten und ressourcenschonenden mechanochemischen Syntheseroute für porösen Natrium-MOFs.- Analyse der Ionenleitfähigkeit im Festkörper und Modifikation der Leitfähigkeit durch gezieltes Einbringung von Gitterdefekten.- Übertragung des Synthesekonzepts von Natrium-MOFs auf andere Alkali-MOFs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yong Lei, Ph.D.