Effiziente Adsorptionsmittel für die industrielle Abwasserbehandlung sind wichtig, um potenzielle Umweltschäden zu minimieren. Insbesondere organische Farbstoffe als bedeutende Gruppe industrieller Schadstoffe sind in der Regel stark wasserlöslich, nicht abbaubar und viele sind toxisch bis karzinogen. Changxia Li und Freddy Kleitz von der Fakultät für Chemie der Universität Wien präsentierten nun zusammen mit Kollegen einen neuen Ansatz zum Design eines innovativen Verbundmaterials, bestehend aus einem nanoporösen, ultradünnen kovalenten organischen Gerüst (COF), das auf Graphen verankert ist und hocheffizient ist bei der Filterung organischer Schadstoffe aus Wasser. Die Studie wurde veröffentlicht in Angewandte Chemie.
„Es gibt heute mehrere Möglichkeiten, einschließlich Aktivkohlefilter, Wasser zu reinigen, aber es gibt noch Raum für Verbesserungen in der Effizienz oder Adsorptionskapazität der Anwendungen“, sagt Erstautorin und Postdoktorandin Changxia Li.
Die Gruppe von Freddy Kleitz am Institut für Anorganische Chemie – Funktionelle Materialien entwickelt neuartige nanoporöse Materialien. Poröse Materialien haben bei gleichem Volumen eine deutlich größere Gesamtoberfläche als ein nichtporöses Material und können daher bei der Adsorption besonders viele Moleküle an den Oberflächen anlagern.
Hochporöses COF als neue Materialklasse
Kovalente organische Gerüste (COFs) sind eine relativ neue Klasse von Materialien. Sie sind besonders porös und gleichzeitig von geringer Dichte und geringem Gewicht. Kovalent bedeutet, dass ihre chemischen Bindungen über Elektronenpaare zwischen Atomen gebildet werden.
Die Farbstoffe, die die Forscher in ihrer wässrigen Modelllösung untersuchten, waren etwa 0,8 bis 1,6 Nanometer groß. „Wir haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, um COF auf vergleichsweise umweltfreundliche Weise unter Verwendung von Wasser zu bilden. So konnten wir kleine ‚Schwämme‘ mit designten Porengrößen und Porenformen im Nanometerbereich sowie ein abgestimmtes Negativ entwickeln Oberflächenladung, die die positiv geladenen Zielmoleküle, also unsere Farbstoffe, sehr selektiv aus dem Wasser gezogen hat“, so die Forscher, „so wie der Schwamm das Wasser aufsaugt, nur sind es in unserem Fall die Schadstoffe.“
Ein Rückgrat aus Graphen
Bei der Verwendung von Bulk-COF-Pulver sind die inneren Poren des Materials für Schadstoffe oft nicht mehr zugänglich, da die Poren am äußeren Rand verstopft sind, insbesondere bei großen Schadstoffmolekülen. Das von den Forschern entwickelte neuartige Kompositmaterial bietet eine durchgängig durchlässige Struktur: Dazu wuchsen die Forscher COF auf dünnschichtigen Graphen-Nanosheets. Die Kombination aus Graphen – an sich schon eine 2D-Schicht aus Kohlenstoffatomen – und der bis zu zwei Nanometer dicken Schicht aus COF führte zu einer kompakten, offenen 3D-Struktur. Die ultradünne COF-Schicht könnte mehr Adsorptionsstellen freilegen als das Bulk-COF-Pulver.
Andererseits unterstützen die größeren, wabenartigen Poren des Graphennetzwerks den Wassertransport durch das Filtermaterial. „Die großen Poren des Graphennetzwerks in Kombination mit der ultradünnen COF-Schicht mit vielen Adsorptionsplätzen ermöglichen daher eine besonders schnelle und gleichzeitig effiziente Abwasserreinigung“, so die Forscher. Aufgrund des vergleichsweise geringen Materialeinsatzes von Graphen sowie der Möglichkeit, das Verbundmaterial – nach dem Auswaschen der Schadstoffe – als Filter wiederzuverwenden, sei die Entwicklung zudem relativ kostengünstig, hieß es.
Changxia Li et al., Auf Graphen verankertes ultradünnes kovalentes organisches Gerüst zur verbesserten Entfernung organischer Schadstoffe, Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie (2022). DOI: 10.1002/ange.202206564