Kleinporige Zirconium-basierte Metall-organische Gerüstverbindungen : grundlegende Untersuchungen zur Synthese und Präparation von elektrisch leitfähigen Kompositen

Abstract

Poröse Materialien sind schon seit längerer Zeit von großem Interesse für Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen. Gerade die in den letzten Jahren in den Mittelpunkt des Interesses gerückten Metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs) eröffnen viele neue Möglichkeiten. Dies liegt in ihren unzähligen Kombinationsmöglichkeiten aus anorganischen und organischen Bausteinen, ihren einstellbaren Porengrößen und ihren verschiedensten Funktionalitäten begründet. Gleichzeitig rückte in den letzten Jahren der Bedarf an neuen elektrisch leitfähigen Materialien zunehmend in den Fokus, wodurch sehr viele Forschungsvorhaben in diesem Bereich angesiedelt sind. So ist ein umfangreiches Interesse bei der Bereitstellung von neuen Elektrodenmaterialien für den Einsatz in Batterien und auch als Material für spezifische Sensoren erkennbar. Da allerdings nur sehr wenige MOFs eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sie wegen ihrer Struktur aber vielversprechend für solche Anwendungen sind, ist die Einbringung einer elektrischen Leitfähigkeit in einen normalerweise isolierenden MOF von hoher Relevanz. Diese Dissertation beschäftigt sich daher mit der Entwicklung elektrisch leitfähiger Komposite aus beispielhaften MOFs und leitfähigen Kohlenstoffmaterialien. Für diese grundlegenden Studien wurde die bereits gut erforschte Klasse der Zirconium-basierten MOFs, insbesondere Vertreter aus der UiO 66-Familie, aufgrund ihrer besonders hohen Stabilität ausgewählt. Verschiedene literaturbekannte Synthesewege wurden standardisiert und für den Einsatz in Synthesen von Kompositen optimiert. Für ein ausgewähltes UiO-66-Derivat (UiO-66-(COOH)2) wurde auch die Fähigkeit zur Aufnahme von Natriumionen demonstriert, wodurch dieser MOF als potenzielles Material für die Nutzung in Natriumionenbatterien in Frage kommt. Zusätzlich wurden neue und bislang nur wenig beschriebene Zr-basierte MOFs auf Basis des relativ kurzen Linkermoleküls Bernsteinsäure synthetisiert. Mit Hilfe von Flüssig-NMR-Spektroskopieverfahren und isotopenmarkierten Verbindungen wurden in diesem Zuge auch Nebenreaktionen der organischen Komponenten in der Syntheselösung herausgearbeitet. Die eigentlichen Komposite der MOFs wurden, außer mit chemisch konvertiertem Graphen, schwerpunktmäßig mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) präpariert. Durch die Verwendung von CNTs, im Vergleich zu chemisch konvertiertem Graphen, konnte die Leitfähigkeit drastisch erhöht werden. Die Komposite wurden als Pulver synthetisiert und auch als Schichten mit einigen UiO-66-Derivaten in unterschiedlicher Strukturierung auf Glassubstraten abgeschieden. Der Nachweis der elektronischen Wechselwirkung zwischen den Komponenten erfolgte über einfache initiale Sensorexperimente. Zusätzlich wurde aufgrund der Strukturierung der Komposite die Möglichkeit zur Synthese von elektronischen Bauteilen im Nanometerbereich eröffnet.