Zur Ausnutzung der Flexibilität, Responsivität und chemischer Selektivität in schaltbaren „pillared layer MOFs“ für spezifische Gasadsorption und –separation – ein first-principles-Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Heine
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279409724

Schaltbare „pillared layer MOFs“ bieten hohe Selektivitäten für adsorbierte Gasspezies. Diese Selektivität kann erhöht werden, wenn zusätzlich die Flexibilität, wie in DUT-8, ausgenutzt wird, wie dies für das Beispiel von CH4 vs. CO2-Adsorption von Kaskel und Brunner demonstriert wurde (S2, P1). Hier werden wir erforschen, wie Flexibilität und Selektivität synergetisch kombiniert werden können. Das Potenzial, maßgeschneiderte Linker, Pillar und Metallzentren zu verwenden, bietet eine große Materialvielfalt. Sie beinhaltet sowohl signifikante Strukturänderungen und somit Volumenänderungen, als auch subtile Umordnungen der konstituierenden Bausteine zur Ausbildung spezifischer Geometrien mit spezifischen Wechselwirkungen mit den Zielmolekülen. Das Zusammenspiel zwischen Flexibilität und Linkerfunktionalität wurde bisher wenig untersucht. Vier Schlüsselfragen werden in T1 beantwortet werden: Zunächst wollen wir die Rolle der Adsorbate (QP4) und der langreichweitigen Ordnung (QP3) auf die Flexibilität von DUT-8(M), M = Ni, Cu, Co, Zn, verstehen. Diese Aufgabe wird durchgeführt in enger Kooperation mit S2, wo die Strukturdaten erhalten werden, und mit T2, das T1 mit Kraftfeldsimulationen von großen Superzellen unterstützt. Hier werden wir auch ein numerisches Modell entwickeln, dass die Abschätzung der Flexibilität von DUT-8 in Abhängigkeit der thermodynamischen Bedingungen und der Art der Adsorbat-Gasspezies (QP1) erlaubt. Als zweites werden wir die Responsivität von DUT-8(M) zu binären Gasmischungen (QP4, QF1) untersuchen, insbesondere von Gasen mit signifikanten Responsivitätsunterschieden des MOFs. Drittens, um eine zielgerichtete Synthese in S2 zu ermöglichen, werden wir nutersuchen ob und wie eine Variation der Bausteine, einschließlich derer Funktionalisierung, die Flexibilität von DUT-8 und der expandierten Variante DUT-128 beeinflusst (QP1, QF1). Schließlich werden wir die spezifische Struktur der adsorbierten Moleküle mit spezifischen Gruppen bestimmen und deren Wechselwirkung mit dem MOF-Gerüst verstehen (QF2). In Kooperation mit P1 werden wir mit Hilfe von NMR-Spektroskopie an verschiedenen Kernen die spezifischen Adsorbat-MOF-Wechselwirkungen verstehen. Für die Gittergeometrie werden wir P2 unterstützen, wo EPR-Methoden um die Gelenkdynamik der MOFs zu untersuchen, entweder durch Spin-Sensoren in Mischmetall-Schaufelrädern oder durch adsorbierte spintragende Probemoleküle in den Poren (QP2).

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2433: Schaltbare metallorganische Gerüstverbindungen (MOF-Switches)