Aufklärung der Bildung von 2D-konjugierten metallorganischen Käfigstrukturen mittels in-situ Flüssigkeitszellen-Transmissionselektronenmikroskopie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Xinliang Feng; Professorin Dr. Ute Kaiser; Dr. Haoyuan Qi
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 492191310

Metallorganische Käfigstrukturen (MOFs) repräsentieren eine höchst aktuelle Klasse kristalliner, poröser Systeme, die aus organischen Liganden verbundenen Metallzentren bestehen. Die chemische Vielzahl und Verschiedenheit der MOF-Strukturen eröffnen große Möglichkeiten für deren maßgeschneiderte Erstellung für verschiedenen Anwendungen. Zwei-dimensionale konjugierte MOFs (2D c-MOFs) zeichnen sich durch in-plane Pi-Delokalisierung und schwache out-of-plane Pi-Pi-Stapelung aus, und sind eine neue eigene Klasse innerhalb der 2D-Materialien. Sie weisen hohe elektrische Leitfähigkeit auf und bilden variable Redox-Zustände, was sie interessant für elektrochemische Energiespeicherung und Energiekonversion macht. Ihr Bildungsmechanismus sowie ihre Struktur-Eigenschaftsbeziehung ist aber noch kaum erforscht. Wir planen die in-situ Untersuchung des Wachstumsprozesses von 2D c-MOFs mittels Flüssigzell-Transmissionselektronenmikroskopie (LC-TEM) auf der molekularen-atomaren Größenskala. Die Hauptherausforderungen zum Erreichen der Ziele sind: (1) Radiolyse der Wassermoleküle innerhalb des LC, was zu hochreaktiven Radikalen führt, die die Reaktionsprodukte und LC-Fenster direkt ätzen. (2) Das herkömmliche LC-Design besteht aus einem großen Flüssigkeitsvolumen, die erreichbare Auflösung ist deshalb der instrumentellen Auflösung erheblich unterlegen. (3) Die extrem geringe Stabilität der MOFs unter dem Elektronenstrahl, bedingt durch das Vorhandensein von CH-Bindungen. Um diese Probleme zu bearbeiten, werden wir ein neu entwickeltes nanofluidisches LC Design für hochauflösendes LC-TEM verwenden. Die mikrofabrizierten Nanokanäle ermöglichen eine gut kontrollierte Flüssigkeitsdicke bis zu wenigen Nanometern. Die Mikrofluidsysteme sind in der Lage, radiolytische Produkte während der Abbildung unter dem Elektronenstrahl auszuspülen. Als zusätzliche Maßnahme wird deuteriertes Wasser verwendet, um die Lebensdauer der Reaktionsprodukte in der flüssigen Umgebung zu verlängern. Neben dem Design der Flüssigkeitszellen wird die Eigenstabilität von MOFs ein weiterer entscheidender Faktor für den Erfolg des Projektes sein. In unserer vorläufigen Studie haben wir festgestellt, dass ein wasserstofffreies Benzolhexathiol (BHT) Cu-MOF Elektronendosen standhält, die mit denen anorganischer Materialien vergleichbar sind. Um ihre Stabilität unter dem Elektronenstrahl wesentlich zu verbessern, werden daher wasserstofffreie und halogenierte 2D-c-MOFs synthetisiert und für LC-TEM-Studien verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen