Katalysatoren zijn vaak vaste stoffen waarvan het oppervlak in contact komt met gassen of vloeistoffen, waardoor bepaalde chemische reacties mogelijk worden. Dit betekent echter dat alle atomen van de katalysator die zich niet aan het oppervlak bevinden, geen echt doel dienen. Daarom is het belangrijk om extreem poreuze materialen te produceren, met een zo groot mogelijk oppervlak per gram katalysatormateriaal.

Wetenschappers van de TU Wien (Wenen) hebben nu samen met andere onderzoeksgroepen een nieuwe methode ontwikkeld om zeer actieve sponsachtige structuren te maken met porositeit op nanometerschaal. De beslissende doorbraak werd bereikt door een proces in twee stappen:er worden metaal-organische raamwerken (MOF's) gebruikt, die al veel kleine gaatjes bevatten. Vervolgens wordt een ander soort gaten gemaakt - deze kunstmatige gaten dienen als een hogesnelheidspad voor moleculen. Dit maakte het mogelijk om eerdere activiteitenrecords te breken bij de splitsing van water in waterstof en zuurstof. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Een spons op nanometerschaal

"Metaal-organische raamwerken zijn een opwindende klasse van multifunctionele materialen", zegt Shaghayegh Naghdi, de hoofdauteur van het onderzoek. "Ze zijn samengesteld uit kleine metaal-zuurstofclusters die zijn verbonden met kleine organische moleculen tot zeer poreuze hybride netwerken. Buiten zien we een vast materiaal, maar op nanoschaal heeft het veel open ruimte die de grootste bekende specifieke oppervlakten biedt tot 7000 m ² per gram."

Deze kenmerken bevelen MOF's aan voor gebruik bij gasscheiding en -opslag, waterzuivering en medicijnafgifte. Bovendien maakt de nabijheid van moleculaire verbindingen op atomaire schaal met verschillende chemische, elektronische en optische eigenschappen ze ook veelbelovende kandidaten voor foto- en elektrokatalyse.

"Tot nu toe was het grootste probleem dat de diameter van de intrinsieke poriën te klein is voor een efficiënte katalytische omzet", zegt professor Dominik Eder. "We hebben het over zeer lange en extreem kleine poriën met een diameter van 0,5 tot 1 nm, wat ongeveer de grootte is van veel kleine moleculen. Het duurt even voordat reactantmoleculen de actieve plaatsen in de MOF's bereiken, wat de katalytische reactie aanzienlijk."

Om deze beperking te overwinnen, ontwikkelde de groep een methode die profiteert van de structurele flexibiliteit van MOF's. "We hebben twee structureel vergelijkbare, maar chemisch verschillende organische linkers opgenomen om raamwerken met gemengde liganden te creëren", legt Dr. Alexey Cherevan uit.

"Vanwege de verschillende thermische stabiliteit van de twee liganden, waren we in staat om een ​​van de liganden op een zeer selectieve manier te verwijderen via een proces dat thermolyse wordt genoemd", zegt Shaghayegh Naghdi. Op die manier kunnen extra soorten poriën met een diameter tot 10 nanometer worden toegevoegd. De oorspronkelijke nanoporiën van het materiaal worden aangevuld met onderling verbonden poriën van het "breuktype", die kunnen fungeren als een snelle verbinding voor moleculen door het materiaal.

Zes keer zo reactief

De groep bij IMC heeft samengewerkt met collega's van de Universiteit van Wenen en Technion in Israël en heeft een overvloed aan geavanceerde experimentele en theoretische technieken gebruikt om de nieuwe materialen volledig te karakteriseren, die ook zijn getest op fotokatalytische H₂ evolutie. The introduction of fracture-type pores could increase the catalytic activity by six times, which places these MOFs top among the currently best photocatalysts for hydrogen production.

The greatest benefits introducing larger pores are expected in liquid-phase applications, particularly involving the adsorption, storage and conversion or larger molecules, such as for example in the fields of drug delivery and wastewater treatment.

This new process also provides additional benefits for photo/electrocatalytic applications:"The selective removal of ligands introduces unsaturated metal sites that can serve as additional catalytic reaction centers or adsorption sites. We expect that these sites will affect the reaction mechanism and thus the product selectivity of more complex catalytic processes," explains Prof. Eder. The team is currently testing this hypothesis with MOFs for the photocatalytic conversion of CO₂ into sustainable fuels and commodity chemicals. There is also an interest from the chemical industry in these catalysts for aiding a potential replacement of energy-demanding thermal catalytic processes with greener photocatalytic processes at low temperatures and ambient conditions.

The new method is highly versatile and can be applied to a variety of MOF structures and applications. "Since we currently know of about 99.000 synthesized MOFs and MOF-type structures," says Shaghayegh Naghdi, "there is actually a lot of work waiting for us in the future." + Verder verkennen

Adding a polymer stabilizes collapsing metal-organic frameworks