Adsorption of harmful gases in MOFs and their spectroscopic properties

• Applicant: Dr. Andreas Mavrantonakis
• Subject Area: Inorganic Molecular Chemistry - Synthesis and Characterisation
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 202981516

Es wird die Adsorption von schädlichen Gasen an porösen metall-organischen Gerüstverbindungen (engl. metal organic frameworks, MOFs) und ihren kristallinen Dünnschichtoberflächen untersucht. Diese porösen Verbindungen werden aus aromatischen Liganden und 3d Übergangsmetallionen hergestellt. Bisherige Untersuchungen an MOFs haben gezeigt, dass sie beträchtliche Mengen an Gasen wie H2, NO, N2, CO2, CH4 und CO in ihren Poren adsorbieren können. In dieser Studie wird die Adsorption einer Reihe von schädlichen Gasen, wie SO2, H2S, NH3 und PH3 an den koordinativ ungesättigten Metall-Zentren untersucht werden. Hierzu werden die spektroskopischen Eigenschaften der Adsorbate gemessen und Vergleiche mit den bisher reinsten MOFs, d.h. auf Oberflächen gewachsene MOFs (engl. MOFs grown on surfaces, SURMOFs) angestellt. Zu Vergleichszwecken wird die Adsorption an MOFs mit vollständig gesättigten Metall-Zentren studiert und die Bedeutung von diesen sogenannten offenen Metallzentren evaluiert werden. Quantenmechanische Untersuchungen werden die Rolle dieser Metallzentren in der Gasadsorption aufklären. Zur Berechnung von Adsorptionsenthalpien wird Dichtefunktionaltheorie (DFT) unter Verwendung der allgemeinen Gradientennäherung (engl. generalized gradient approximation, GGA) und Hybridfunktionalen eingesetzt werden. Die Genauigkeit der so erhaltenen Grundzustandseigenschaften von MOFs wird durch sogenannte Multireferenzmethoden geprüft werden. Dem Vergleich zwischen Experiment und Theorie von schwingungs- sowie elektronenspektroskopisch erhaltenen Daten, welche es erlauben den einzigartigen physikalisch-chemischen "Fingerabdruck" des schädlichen Gasen zu charakterisieren, wird besonderes Augenmerk gewidmet werden. Zusätzlich wird das Wachstum von MOFs modelliert werden. Unter Anwendung einer "Schicht-für-Schicht" Methode, werden dünne Schichten von kristallinen MOFs charakterisiert durch sehr ebene Oberflächen auf unterschiedlichen Substraten aufgewachsen. Die Modellierung der SURMOF Oberfläache ist eine ausgezeichnete Möglichkeit die Eigenschaften der Oberflächen von metall-organischen Gerüstverbindungen zu studieren, da sie einerseits hohen Reinheits- und andererseits auch einen hohen Komplexitätsgrad aufgrund der Stöchiometrie der MOFs aufweist.

• DFG Programme: Priority Programmes
• Subproject of: SPP 1362: Porous Metal-Organic Frameworks
• Participating Persons: Professor Dr. Thomas Heine; Professor Dr. Christof Wöll