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Projekt
Koordinationsfonds
Antragsteller
Professor Dr. Stefan Kaskel
Fachliche Zuordnung
Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
Förderung
Förderung von 2016 bis 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279409724
Poröse Materialien spielen eine Schlüsselrolle für Gas- und Flüssigphasentrennungen, Energiespeicherung, als Katalysatoren sowie für optische und chemische Sensorik. Metallorganische Gerüstverbindungen (engl.: Metal-Organic Frameworks, MOFs) zeichnen sich gegenüber anderen porösen Materialien durch ihre extrem hohe Porosität und modular einstellbare Eigenschaften aus. Während die Mehrzahl poröser Feststoffe (und MOFs) starr ist, zeichnet sich die einzigartige Klasse der schaltbaren MOFs durch unerwartete Flexibilität aus. Diese Materialien öffnen ihre Poren dynamisch als Reaktion auf die Anwesenheit von Gasen oder Flüssigkeiten begleitet von beispiellosen, stufenweisen strukturellen Transformationen. Sie sind in der Lage, spezifisch zu reagieren oder sogar erkennend bestimmte Arten molekularer Spezies aufzunehmen, indem sie ihre Poren öffnen, was zu einer stufenweisen Änderung von physikalischen Eigenschaften (also Magnetismus, optische Dichte, Massendichte, etc.) und chemischen Charakteristika (katalytische Aktivität, Reaktivität) führt. Bisher verlief die Entdeckung schaltbarer MOFs (auch als „gating MOFs“ oder „atmende MOFs“ bezeichnet) weitgehend zufallsgetrieben und ist es unmöglich, rational schaltbare Strukturen vorherzusagen, da die zugrunde liegenden mikrostrukturellen Prinzipien unzureichend verstanden sind. Um schaltbare MOFs in Trennverfahren, Katalyse oder Sensoren technologisch integrieren zu können, ist ein grundlegendes Verständnis der Strukturprinzipien und Gas-Festkörper-Interaktionsmechanismen unerlässlich. Die Forschungsgruppe widmet sich primär den Grundlagen der Porositätsschaltungsphänomene in Festkörpern und den zugrunde liegenden Prinzipien. Auf idealisierte Modellmaterialien ausgerichtet soll die Rolle der Netzwerkkomponenten, Defekte und kooperativen Effekte in Bezug auf das Ausmaß an Flexibilität in einer eng abgestimmten Zusammenarbeit experimenteller und theoretischer Herangehensweisen untersucht werden.Auf dem entwickelten grundlegenden Verständnis aufbauend wird die Forschungsgruppe exemplarische Funktionen schaltbarer MOFs in der zweiten Förderphase erforschen. Das Ziel sind hochgradig selektive molekulare Trennungen durch schaltbare poröse Netzwerke, die ihre Poren idealerweise nur für eine bestimmte Molekülspezies öffnen. Diese einzigartige Eigenschaft spielt eine wichtige Rolle für industrielle Trennverfahren oder ermöglicht gar die Erkennung komplexer Moleküle. Die Integration katalytisch aktiver Gastspezies in schaltbare Netzwerke soll das „Einschalten“ dieser Katalysatoren durch externe Stimuli ermöglichen. Eine interdisziplinäre Herangehensweise in einer fokussierten Forschungsgruppe aus Theoretikern, synthetisch arbeitenden Chemikern und Physikern, bietet die optimale Organisationsstruktur, um selektive Erkennungskonzepte für schaltbare Netzwerke von der in silico Vorhersage bis zur experimentellen Realisierung schaltbarer Katalysatoren und hochgradig selektiver Trennverfahren zu ermöglichen.Um schaltbare MOFs in Trennverfahren, Katalyse oder Sensoren technologisch integrieren zu können, ist ein grundlegendes Verständnis der Strukturprinzipien und Gas-Festkörper-Interaktionsmechanismen unerlässlich. Die Forschungsgruppe widmet sich primär den Grundlagen der Porositätsschaltungsphänomene in Festkörpern und den zugrunde liegenden Prinzipien. Auf idealisierte Modellmaterialien ausgerichtet soll die Rolle der Netzwerkkomponenten, Defekte und kooperativen Effekte in Bezug auf das Ausmaß an Flexibilität in einer eng abgestimmten Zusammenarbeit experimenteller und theoretischer Herangehensweisen untersucht werden.Auf dem entwickelten grundlegenden Verständnis aufbauend wird die Forschungsgruppe exemplarische Funktionen schaltbarer MOFs in der zweiten Förderphase erforschen. Das Ziel sind hochgradig selektive molekulare Trennungen durch schaltbare poröse Netzwerke, die ihre Poren idealerweise nur für eine bestimmte Molekülspezies öffnen. Diese einzigartige Eigenschaft spielt eine wichtige Rolle für industrielle Trennverfahren oder ermöglicht gar die Erkennung komplexer Moleküle. Die Integration katalytisch aktiver Gastspezies in schaltbare Netzwerke soll das „Einschalten“ dieser Katalysatoren durch externe Stimuli ermöglichen. Eine interdisziplinäre Herangehensweise in einer fokussierten Forschungsgruppe aus Theoretikern, synthetisch arbeitenden Chemikern und Physikern, bietet die optimale Organisationsstruktur, um selektive Erkennungskonzepte für schaltbare Netzwerke von der in silico Vorhersage bis zur experimentellen Realisierung schaltbarer Katalysatoren und hochgradig selektiver Trennverfahren zu ermöglichen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
