Methodenentwicklung zur Charakterisierung offenporigen Netzwerkverbindungen mittels Positronen-Annihilations-Spektroskopie (PAS)

• Antragsteller: Ahmed Gamal Attallah Elsherif, Ph.D.; Professor Dr. Stefan Kaskel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464857745

Positronen-Annihilations-Lebensdauer-Spektroskopie (PALS) ist eine effektive Porosimetrietechnik, welche komplementär zu Standardmethoden ist, insbesondere, wenn diese ihre Grenzen erreichen. PALS kann offene und geschlossene Poren detektieren, Tiefenprofile analysieren, sowie Defekte und Korngrenzen identifizieren. Zudem ist sie variabel einsetzbar bezüglich Druck, Temperatur und Gasatmosphären, um auch Strukturänderungen unter in situ Bedingungen zu verfolgen. Daher ist PALS eine wertvolle Porosimetriemethode, insbesondere, um geschlossene oder offene Poren oder sogar Porenöffnungsprozesse zu analysieren. In dem geplanten Vorhaben soll PALS das Verständnis von Poren- und Defektkonzentrationen und deren Dynamik in MOFs (engl.: Metal-Organic Frameworks) ausbauen. MOFs stechen heraus durch ihre enorme Porosität, strukturelle Anpassbarkeit und Funktionalität. Wir konzentrieren uns hier auf zwei MOF-Kategorien: Schaltbare MOFs und Kern-Schale-MOFs. Schaltbare MOFs sind responsive Materialien, die unter dem Einfluss externer stimuli charakteristische strukturelle Transformationen durchlaufen, was für Anwendungen in der Gastrennung, -reinigung und –speicherung von Interesse ist. Kern-Schale- MOFs erhalten ihre doppelte Funktion durch Schale und Kern. Jedoch wurden beide Klassen bis heute nur sporadisch mittels PALS untersucht. Reversibel schaltbare MOFs zeigen reversible (genauer: wiederholt induzierbare) Porentransformationen. Dabei soll erstmalig die Restporosität der geschlossenen Kristalle analysiert werden, welche durch Adsorption nicht zugänglich ist. Zudem erfordert die Porentransformation in situ Untersuchungen, um die zugrundeliegenden Mechanismen aufzuklären. Tiefenprofilanalysen von Kern-Schale-MOFs sollen zeigen, warum einige MOFs nicht porös sind, obwohl ihre offene Netzwerkstruktur scheinbar intakt ist. Dabei soll eine mögliche Degradation der feuchteempfindlichen Oberflächen erkannt werden. Die kontrollierte Tiefenprofilporosimetrie wird zum Verständnis der Kern-Schale-MOFs beitragen. PALS ist eine vielversprechende Methode, um diese offenen Fragen im Bereich der flexiblen MOFs und Kern-Schale-Partikel zu adressieren. Jedoch muss zunächst der Einfluss von Metallzentren auf die Positronenlebensdauer bzw. der Migration in interpartikuläre Poren geklärt werden. Beide Faktoren führen zu einer Unterbestimmung der Porengröße via PALS und wurden quantitativ bisher nicht systematisch berücksichtigt. Diese Ergebnisse sollen der MOF-Community nützen, um PALS verlässlich einsetzen zu können. Nach einer ersten Standardisierungsphase stehen Tiefenprofile von Modelloberflächen (SiO2- bzw. Polymerschalen) für die Verkapselung im Mittelpunkt. In situ Adsorptionsexperimente mittels N2 (77 K), CH4 (111 K), CO2 (195 K), n-Heptan (298 K) und Butan (298 K) sollen folgend via PALS an schaltbaren MOFs durchgeführt werden. Diese Studien sollen mechanistische Einblicke in dynamische Transformationen von MOFs geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen