Metal-organic Framework

Metall-organische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOF) sind poröse Materialien mit wohlgeordneter kristalliner Struktur. Sie bestehen aus Komplexen mit Übergangsmetallen (meist Cu-, Zn-, Ni- oder Co) als "Knoten" und organischen Molekülen (Liganden) als Verbindung ("Linker") zwischen den Knoten.

Durch die Porösität dieser Materialien können MOFs zur Gasspeicherung, beispielsweise für Wasserstoff oder Methan verwendet werden. Für mögliche Anwendungen als Katalysatoren ist die hohe innere Oberfläche (bis über 4500 m²/g beim MOF-177) von Bedeutung, außerdem kann auf Grund der exakt festgelegten Porengröße eine hohe Selektivität erwartet werden (nur Reaktanden einer bestimmten Größe passen in die Poren). Die Porengröße kann über die Größe der organischen Liganden gesteuert werden.

Im Gegensatz zu Zeolithen, also anorganischen Kristallen mit Poren ähnlicher Größe, sind MOF weniger temperaturbeständig. Allerdings wird erwartet, dass die vielfältigen Möglichkeiten der organischen Chemie zu einer größeren Vielfalt von Materialien als bei Zeolithen führen wird, und auch die geringere Massendichte ist für manche Anwendungen von Vorteil.

Das bekannteste und bisher meist untersuchte MOF ist MOF-5, dessen Formel Zn₄O(BDC)₃ ist. Die Elementarzelle besteht aus einem Zn₄O-Tetraeder. An jede Kante des Tetraeders bindet ein organischer Ligand (1,4-Benzendicarboxyl, kurz BDC), das ergibt sechs BDC-Moleküle an jedem Zn₄O-Cluster. Mit den anderen Enden binden die BDC-Moleküle an andere Zn₄O-Cluster. Dadurch kommt ein regelmäßiges, kubisches Gitter zustande, bei dem die Zn₄O-Cluster die Eckpunkte der Würfel und die BDC-Moleküle die Kanten bilden. In den Hohlräumen im Inneren der Würfel bleiben Moleküle des Lösungsmittels, das zur Synthese verwendet wird, zurück. Das Lösungsmittel wird durch Erhitzen entfernt.

Literatur

Stefan Kaskel, Poren per Baukasten, Nachrichten aus der Chemie, 53, April 2005, 394-399 (PDF)