Ein Team von Chemikern der Clemson University hat ein neuartiges zweidimensionales elektrisch leitfähiges metallorganisches Gerüst (MOF) konstruiert – ein Durchbruch, der zur Weiterentwicklung moderner Elektronik- und Energietechnologien beitragen könnte.
Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie in dem Artikel mit dem Titel „Electrically Conductive π-Intercalated Graphitic Metal-Organic Framework Containing Alternate π-Donor/Acceptor Stacks.“
MOFs sind nanoskalige Architekturen, die Miniaturgebäuden aus Metallionen ähneln, die durch organische Liganden verbunden sind. Die Strukturen sind größtenteils hohl und porös und verfügen über eine außergewöhnlich große innere Oberfläche. Dadurch können MOFs Gastmoleküle speichern, chemische Reaktionen katalysieren und Medikamente kontrolliert abgeben.
Bestimmte MOFs können sogar Elektrizität leiten, was sie zu potenziellen Halbleitern der nächsten Generation macht.
„Wir brauchen neue Materialien für Halbleiter für Elektronik- und Energietechnologien, und diese Materialklasse hat großes Potenzial gezeigt“, sagte Sourav Saha, außerordentlicher Professor am Fachbereich Chemie, der die Studie leitete. „Diese Materialien (MOFs) sind viel einfacher zu synthetisieren, zu verarbeiten und ihre elektronischen und optischen Eigenschaften abzustimmen als herkömmliche anorganische Halbleiter.“
Das größte Hindernis für eine hohe Gerüstleitfähigkeit ist ihre Porosität.
„Es ist wirklich eine Herausforderung, poröse Materialien elektrisch leitend zu machen, weil die Ladungen nicht durch die Poren oder den leeren Raum fließen“, sagte Saha. „Das ist der heilige Gral. Das ist die größte Herausforderung auf diesem Gebiet.“
Chemiker verfolgen unterschiedliche Strategien, um diese Materialien elektrisch leitend zu machen. Die Ladungen können durch chemische Bindungen oder durch die engen Lücken zwischen den organischen Liganden fließen.
„Typischerweise haben die meisten dieser MOFs, die elektrisch leiten, entweder Leitungswege durch die Bindung oder durch den Raum. Was wir hier erreicht haben, war, diese beiden Wege in einem einzigen 2D-Material zu kombinieren“, sagte er.
Die Leitfähigkeit des neuen MOF ist 10 bis 15 Mal höher als die des Vorgänger-MOF, dem solche effizienten Leitungswege außerhalb der Ebene fehlen.
„Dr. Sahas Arbeit trägt dazu bei, das Versprechen einzulösen, das metallorganische Gerüstmaterialien für die Verbesserung einer breiten Palette von Technologien bieten, darunter Batterien, Solarzellen sowie die chemische und pharmazeutische Produktion. Seine clevere Einführung der elektrischen Leitfähigkeit in diesen offenen Gerüstmaterialien.“ ist eine Meisterleistung des molekularen Designs. Es ist spannend zu sehen, wie diese Fortschritte aus Clemsons Forschungsunternehmen hervorgehen“, sagte Stephen Creager, stellvertretender Dekan und Professor für Chemie am College of Science.
Zu Sahas Forschungsteam bei Clemson gehörten der Postdoktorand Ashok Yadav und die Doktoranden Shiyu Zhang und Paola Benavides. Wei Zhou vom Center for Neuron Research des National Institute of Standards and Technology lieferte rechnerische Unterstützung und Validierung für Sahas experimentelle Arbeit.
Mehr Informationen:
Ashok Yadav et al., Elektrisch leitfähiges π-interkaliertes graphitisches metallorganisches Gerüst mit alternativen π-Donor/Akzeptor-Stapeln, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202303819