Die Verwendung von Materialien mit gezielt einstellbaren Eigenschaften ist eine
elegante und ressourcenschonende Lösung, um bestmögliche Ergebnisse für
spezifische Anwendungen in unterschiedlichsten akademischen sowie industriellen
Bereichen zu erzielen. Hierbei könnten metallorganische Gerüstverbindungen (engl:
Metal-organic frameworks, MOFs), aufgrund ihres modularen Aufbaus auf
Molekülebene und der Möglichkeit postsynthetischer Modifikationen, einen lang
ersehnten Hoffnungsschimmer darstellen. Individuell anpassbare Eigenschaften, wie
hohe Oberflächen oder kontrollierbare Porengrößen, sind ein Grund dafür, warum
MOFs Anwendungen in unterschiedlichsten Bereichen, unter anderem der Katalyse,
Gasspeicherung und Sensorik, finden können.
Die Dissertation behandelt den potentiellen Einsatz von MOF-basierten Materialien
als chemische Sensoreinheiten. Es wurden zwei unterschiedliche MOFs und ein
MOF-basierendes Wirt-Gast-Verbundmaterial hergestellt, charakterisiert und auf ihr
jeweiliges Potential hinsichtlich der Adsorption industriell relevanter Gase untersucht.
Hierbei lag der Fokus nicht nur darin, unterschiedliche experimentelle Ansätze zur
Detektion der Gasspezies zu prüfen, sondern auch auf der Vereinfachung des
Messaufbaus im Hinblick auf die Herstellung eines potentiellen, kommerziellen
Sensors.
Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Kobalt-basierten MOF-74. Zuerst
wurde die adsorptive Interaktion zwischen Co-MOF-74 mit unterschiedlichen Gasund
Dampfmolekülen wie Kohlendioxid, Propan, Propen, Argon, Methanol und
Wasser mithilfe spektroskopischer Methoden untersucht. Außerdem konnte das
anisotrope optische Absorptionsverhalten des Materials durch
Polarisationsmikroskopie nachgewiesen werden. Anschließend wurde ein
Co-MOF-74 basiertes Wirt-Gast Verbundmaterial konzipiert und synthetisiert. Hierzu
wurde das organische Halbleitermolekül Tetrathiafulvalen postsynthetisch in die
MOF-74 Kanäle infiltriert. Dies führte zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit
des Materials. Elektrische Leitfähigkeitsmessungen zeigten, dass Co-MOF-74-TTF
eine durch Gasmoleküle induzierte Widerstandsänderung aufweist und somit als
möglicher Sensor eingesetzt werden kann.
Im zweiten Teil der Dissertation wird die Gasadsorption des Zr-MOFs UiO-66 sowie
dessen Amino-funktionalisierten Pendants UiO-66-NH2 untersucht. FTIR
Spektroskopie zeigte, dass UiO-66 und UiO-66-NH2 entsprechend ihrer Azidität und
Basizität unterschiedlich mit Kohlenmonoxid, Stickstoff und Acetonitril wechselwirken.
Sowohl die Sensitivität gegenüber geringen Kohlendioxidkonzentrationen (Kontrolle
der Raumluftqualität), als auch die Sensitivität gegenüber höheren Kohlendioxid-
Konzentrationen (in Bereichen der Lebensmittelverpackungsindustrie), konnte
mithilfe von Kapazitätsmessungen und FTIR Messungen gezeigt werden.
Diese Dissertation beinhaltet vier Artikel, welche in national und international
renommierten chemischen Journalen publiziert wurden, und innerhalb dieser Arbeit
in logischer Reihenfolge, unterteilt in zwei Hauptkapitel, vorgestellt werden.
In order to achieve optimal results for various specific applications, intentionally
tailored materials with adjustable properties are a smart and sustainable solution for
many research challenges. Here, metal-organic frameworks (MOFs) might be a
glimmer of hope reasoned in their modular design at a molecular level and the
possibility of post-synthetic modifications, which leads to a large number of materials
with tailorable structural characteristics such as high surface areas and controllable
pore sizes. These properties make them to promising materials in various research
fields like catalysis, gas storage and sensing.
This thesis discusses the potential deployment of MOFs into chemical sensing
devices. Two different MOFs and one MOF-based host-guest composite were
synthesized, characterized and tested upon their capability to adsorb various gases.
Various experimental approaches were followed to detect and differentiate between
the gas- and vapour-species and to identify the most feasible one for the incorporation
into a possible sensor.
The first part of this thesis is focused on cobalt-based MOF-74. Initially, the adsorptive
interaction of Co-MOF-74 with different gas and vapour molecules, such as carbon
dioxide, propene, propane, argon, methanol and water has been evaluated by diverse
spectroscopic techniques.
In addition to that, spectral measurements emphasize the anisotropic optical
adsorption behaviour of the material when illuminated with polarized light. Afterwards
a Co-MOF-74-based host-guest composite was designed and synthesized. The
organic semiconductor tetrathiafulvalene was post-synthetically infiltrated into the
channels of MOF-74, leading to an increased electrical conductivity of the compound
compared to the non-infiltrated MOF. The following electrical measurements under
various gas- and vapour-atmospheres showed a modification of resistivity when these
guest molecules are adsorbed into the composite and therefore proved, that
Co-MOF-74-TTF is a suitable candidate for gas sensing devices.
Within the second part of this thesis, the performance of the zirconium-based UiO-66
framework and the amino-functionalized equivalent UiO-66-NH2 regarding their gas
adsorption capability was evaluated. FTIR spectroscopy showed, that according to
their acid and basic properties, UiO-66 and UiO-66-NH2 interact differently with
carbon monoxide, nitrogen and acetonitrile. The sensing capability towards low
carbon dioxide concentrations, which could be applied for controlling indoor air
concentrations and the capability towards high carbon dioxide concentrations,
important for industrial applications, such as food packaging, were proven by capacity
and FTIR measurements.
This thesis includes four articles published in national and international renowned
chemical journals, which are presented in a logical order, divided into two main
chapters.
