Nachhaltig produzierbare kovalente organische Netzwerke fangen CO2

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und der Universität Siegen hat eine neue Verbindung synthetisiert, die ein sogenanntes kovalentes organisches Netzwerk bilden. Die auf Phosphonsäure basierende Verbindung ist stabil und kann beispielsweise zur Speicherung von Kohlendioxid (CO2) eingesetzt werden, wie die Forschenden in der Fachzeitschrift Nature Communications beschreiben.

Kovalente organische Netzwerke (Covalent Organic Framework, kurz COF) sind eine Klasse poröser kristalliner Materialien, die Gerüststrukturen bilden. Der Begriff „kovalent“ bedeutet dabei, dass in ihnen chemische Bindungen zwischen einzelnen Bausteine des Netzwerks durch gemeinsam genutzte Elektronenpaare entstehen.

Ein Forschungsteam um Dr. Gündoğ Yücesan, Heisenberg-Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für nanoporöse und nanoskalierte Materialien an der HHU und Prof. Dr. Jörn Schmedt auf der Günne, Leiter des Instituts für Anorganische Materialchemie an der Universität Siegen, stellt nun einen einfachen Zugang zu dieser Familie von Netzwerken vor, deren Mitglieder besonders stabil sind und die ein hohes Anwendungspotenzial versprechen. An der in Nature Communications veröffentlichten Studie waren ebenfalls Forschende aus Berlin, Bremen, Saarbrücken, der Türkei und dem Vereinigten Königreich beteiligt.

Die Klasse der Polyphosphonatgerüstverbindungen zeichnet sich durch Phosphor-Sauerstoff-Phosphor-Bindungen aus, die aus Bausteinen einfacher organischer Phosphonsäuren bestehen und – quasi wie Klemmbausteine – durch Erwärmen auf Temperaturen von nur rund 200 Grad Celsius zusammengesetzt werden können.

Dr. Yücesan: „Diese COFs haben die besondere Eigenschaft, dass sie auch bei Anwesenheit von Wasser und Wasserdampf trotz der milden Synthesebedingungen stabil sind und somit – im Gegensatz zu bisher entwickelten Verbindungen – in wässriger und Elektrolyten eingesetzt werden können.“

Ein weiterer Meilenstein war die Entwicklung eines nachhaltigen Syntheseverfahrens. Yücesan: „Zum ersten Mal wurde eine Festphasensynthese von COFs entwickelt, die komplett ohne Lösungsmittel auskommt. Diese Methode ermöglicht eine kostengünstige und skalierbare Produktion im Kilogramm- bis Tonnenmaßstab, was sie im Vergleich zu anderen mikroporösen Materialien wirtschaftlicher macht.“

Eine Herausforderung für die Forschenden lag darin, dass die Verbindungen nicht gut kristallisierten beziehungsweise amorph sind. Die Vernetzung nachzuweisen gelang mit der Methode der kernmagnetischen Resonanz. Dazu Prof. Dr. Schmedt auf der Günne: „Wenn wir nicht die gemeinsamen Zustände benachbarter Phosphoratomkerne hätten nutzen können, wäre die Vernetzungsstruktur der Substanz im Dunkeln geblieben und die Eigenschaften unverstanden.“

Die Polyphosphonate dieser Art haben ein hohes Anwendungspotenzial. Das klimaschädliche Treibhausgas CO2 wird durch deren Netzwerke gebunden Durch eine leichte Druckänderung kann es wieder freigesetzt werden. „Solche Substanzen werden für die Abgasreinigung und zur Vermeidung von Treibhausgasemissionen benötigt“, stellen die Studienautoren fest.

Originalpublikation:

Ke Xu, Robert Oestreich, Takin Haj Hassani Sohi, Mailis Lounasvuori, Jean G. A. Ruthes, Yunus Zorlu, Julia Michalski, Philipp Seiffert, Till Strothmann, Patrik Tholen, A. Ozgur Yazaydin, Markus Suta, Volker Presser, Tristan Petit, Christoph Janiak, Jens Beckmann, Jörn Schmedt auf der Günne & Gündoğ Yücesan. Polyphosphonate covalent organic frameworks. Nature Communications 15, 7862 (2024).

DOI: 10.1038/s41467-024-51950-1

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