GTUB3 ist der erste mikroporöse, metallorganische Feststoff, der sowohl leitfähig als auch nachleuchtend ist

Forscher der TU Berlin haben ein neues Material aus der Klasse der mikroporösen, metallorganischen Gerüstverbindungen (MOF) entwickelt. Einerseits können solche Verbindungen kleine Moleküle und Gase wie Wasserstoff, CO2 oder sogar Giftstoffe speichern. Andererseits eignen sie sich aufgrund der großen Oberfläche aufgrund des hohen Porenvolumens auch als Material für Elektroden etwa in Superkondensatoren, die deutlich schneller geladen werden können als herkömmliche Batterien.

Eine Studie, die diese Arbeit beschreibt, wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche optische Materialien.

Das Problem besteht bisher darin, dass die meisten MOFs sehr schlechte elektrische Leiter sind. Das von den Forschern neu geschaffene Material mit dem Namen GTUB3 ist sowohl ein guter Leiter als auch chemisch und thermisch äußerst stabil. Was es einzigartig macht, ist, dass es auch photolumineszierend ist, was bedeutet, dass es leuchtet, wenn es mit Licht bestrahlt wird. Dadurch könnte es auch in optoelektronischen Anwendungen und Solarzellen eingesetzt werden.

Metallorganische Gerüste oder MOFs gelten als eine der aufregendsten Materialklassen in der modernen Chemie. Sie bestehen aus Metallatomen, die direkt an organische Moleküle gebunden sind. „Früher haben wir solche Kristallstrukturen nur wegen ihrer ästhetischen Schönheit geschätzt. Einige von ihnen erinnern tatsächlich an marokkanische Fliesen“, erklärt Dr. Gündoğ Yücesan von der Fakultät III – Verfahrenswissenschaften der TU Berlin. „Was sie heute interessant macht, sind die vielen Hohlräume, die mikroporöse MOFs zu idealen Speichermedien machen, sowie ihre großen Oberflächen, die Reaktionen erleichtern.“

Modularer Aufbau

Vor allem neue Verbindungen dieser Substanzklasse können aufgrund des modularen Aufbaus ihrer Moleküle sehr systematisch entwickelt werden.

Anorganische Baueinheiten – oder IBUs – sind über langkettige organische Streben – also Linker – miteinander verbunden. Dadurch lassen sich großflächige Elementarstrukturen bilden, die sich entweder schichtweise wiederholen oder als Bausteine ​​zu Kristallen gestapelt werden.

Hitzebeständig und chemisch stabil

Während es bereits mehr als 100.000 MOFs gibt, hat sich in einigen Bereichen dieses Forschungsgebiets noch wenig entwickelt. „Vor allem in Bezug auf mikroporöse MOFs, die Phosphor enthalten, von denen es bisher weniger als 50 gibt“, sagt Yücesan.

„Sie haben unser Interesse geweckt, weil sich die ersten bekannten Phosphor-MOFs als thermisch und chemisch sehr stabil erwiesen haben.“ Ideale Eigenschaften für Elektrodenmaterialien, die lange Zeit in Elektrolyten oder sogar Säuren aushalten müssen, auch wenn es bei Reaktionen heiß wird.

Leitfähig in alle drei Raumrichtungen

Das Hauptproblem besteht darin, dass MOFs im Allgemeinen Isolatoren sind – eine schlechte Grundeigenschaft für Elektroden, durch die Ladungsträger fließen müssen. Als Reaktion darauf entwickelten Yücesan und sein Team im Jahr 2020 in Zusammenarbeit mit anderen Universitäten und Forschungsinstituten zwei mikroporöse Phosphor-MOFs mit höherer Leitfähigkeit, „TUB75“ und „TUB40“ (benannt nach der TU Berlin).

Die Gründung von GTUB3 bot die Gelegenheit, den Beitrag der Technischen Universität Gebze in der Türkei zu würdigen. Die neue Verbindung enthält neben Phosphonsäure die Metalle Kupfer und Zink sowie Porphyrin, das aus vier Kohlenstoffringen besteht. All diese Ausgangsstoffe sind günstig, in großen Mengen verfügbar und ungiftig für Mensch und Umwelt. Im Gegensatz zu seinen beiden Vorgängern ist der Halbleiter GTUB3 in allen drei Raumrichtungen gleichermaßen leitfähig und temperaturbeständig bis 400 Grad Celsius.

Potenzial in Superkondensatoren für Autos, Busse und Züge

Großes Potenzial für GTUB3 sieht Yücesan in der Verbesserung von Superkondensatoren, wie sie etwa zur kurzfristigen Stromspeicherung bei der Rückgewinnung von Bremsenergie in Bussen und Bahnen sowie in einigen Autos eingesetzt werden.

Diese Superkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher mit sehr hoher Leistungsdichte, die um ein Vielfaches schneller geladen werden können als herkömmliche Batterien. Allerdings speichern sie deutlich weniger Energie als Batterien gleicher Masse. Neue Elektrodenmaterialien – wie GTUB3 – sollen diese Lücke schließen. „Das neue Compound eignet sich auch für die in der Industrie häufig eingesetzten Dünnschichtverfahren zum Auftragen auf Substrate“, erklärt Yücesan.

Interessante Eigenschaften für LEDs und Solarzellen

Als eine Art zusätzlicher Bonus ist GTUB3 auch photolumineszierend, das heißt, es emittiert Licht, wenn es bestrahlt wird. Dies ist für die Funktion sowohl von Leuchtdioden (LEDs) als auch von Solarzellen unerlässlich.

Dieses Eigenschaftsspektrum mache das neue Material zu einem idealen Ausgangspunkt für die Entwicklung einer ganzen Familie von phosphorbasierten MOFs, sagt Yücesan. „Phosphonsäure hat auch eine Vielzahl von Bindungsmöglichkeiten an Metalle, was uns viel Spielraum in unserer Entwicklungsarbeit lässt.“ GTUB3, die Keimzelle dieser Familie, hat die TU Berlin bereits zum Patent angemeldet.