Interlayer Expansion von Schichtsilicaten mit reaktiven Metallzentren, ein neuer Syntheseweg zu nanoporösen Materialien mit gezielt strukturierten Silicatgerüsten: Synthese und Kristallstruktur.

• Antragsteller: Professor Dr. Hermann Gies
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285735268

Nanoporöse, kristalline Feststoffe sind wichtige Materialien für Anwendungen in der Stofftrennung, der Adsorption, der heterogenen und Crack-Katalyse sowie als Depotmaterialien. Des Weiteren finden sie Anwendung in solarthermischen Speichern. Zu dieser Materialgruppe zählen die klassischen Zeolithe, aber auch die heute im stärker Fokus stehenden anorganischen Koordinationspolymere, "metal organic frameworks" (MOF'S), und die organischen porösen Polymernetzwerke. Neue Synthesewege haben den Silicatzeolithen wieder zu einer Renaissance verholfen. Einerseits erlaubt die templatfreie Synthese kostengünstiger zu produzieren, andererseits wurden über eine Prekursorenchemie neue Zeolithmaterialien hergestellt, die wegen ihrer thermischen und katalytischen Eigenschaften von großem Interesse sind.Als Prekursoren werden dabei (hydratisierte) Schichtsilicate eingesetzt, die über eine topotaktische Kondensation zu Gerüstsilicaten umgesetzt werden. Eine Reihe von Schichtsilicaten, die sich topotaktisch kondensieren lassen, belegen die allgemeine Gültigkeit des Synthesekonzeptes.In einer Erweiterung des Ansatzes werden monomere Silicatbausteine als Verbindungsglieder zu Überbrückung der Silicatschichten eingesetzt. Auf diese Weise entstehen 3-dimensionale Netzwerke mit Silicatbrücken, die einen aufgeweiteten Porenraums haben und funktionelle Gruppen tragen können. Die Verallgemeinerung des Syntheseweges wurde mit oligomeren silicatischen Verbindungsgliedern an verschiedenen Prekursoren gezeigt. In der Fachwelt hat sich für diese Reaktion der Begriff der "Interlayer Expansion" eingebürgert.Im beantragten Projekt sollen die silicatischen Verbindungsglieder durch andere, von Sauerstoff koordinierte Metallzentren ersetzt werden. In einem ersten Experiment wurde Fe auf die Silicatbrücke zwischen RUB-36-Silicatschichten als Prekursor eingeführt. Das nanoporöse Material ist thermisch bis ca. 500 °C stabil, am Fe-Zentrum katalytisch aktiv und Fe laugt bei der Reaktion nicht aus. Die vorläufige Kristallstrukturanalyse zeigt, dass ca. 50% der Brücken mit Fe besetzt sind und damit auch, dass Fe auf eine wohldefinierte Punktlage im Silicatgerü st eingeführt werden kann. Mit anderen Metallzentren wie Sn, Zn, Ti, V und Eu wurden bisher erfolgversprechende Synthesevorversuche angestellt. Gegenstand des beantragten Projektes soll die Entwicklung der Synthese hin zu gut kristallinem Material sein, das zur strukturellen Charakterisierung der Phasen mit Beugungsverfahren eingesetzt werden kann. Erst die Strukturanalyse belegt die Einführung der aktiven Zentren auf definierten Gitterplätzen und damit den Erfolg des Syntheseprinzips. Neben Rietveld-Analysen der Pulvermaterialien, die die Bulk-Eigenschaften feststellen, sollen auch Einkristallverfahren mit elektronenkristallographischen Methoden eingesetzt werden, um eine präzise geometrische Analyse des kristallinen Aufbaus der neuen Materialien durchführen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartnerinnen: Professorin Dr. Ute Kolb; Professorin Dr. Xiadong Zou