Elektrisches und Optisches Schalten des Gastransports durch Membranschichten aus MOFs
| Konsortium: | Prof. Dr. Jürgen Caro, Hannover Leibniz Universität Hannover Institut für physikalische Chemie und Elektrochemie |
| Projekt: | Elektrisches und Optisches Schalten des Gastransports durch SURMOF-Membranschichten |
| Zusammenfassung: | Ziel des Projektes ist die Entwicklung schaltbarer, gastrennender SURMOF-Membranen. Dabei sollen sowohl die Gasmenge als auch die Zusammensetzung des Gases durch externe Stimuli wie (i) elektrische Felder, oder (ii) Licht schaltbar sein. Die Grundidee des Projektes ist, die sogenannte Gitterflexibilität der MOFs kontrolliert auszunutzen und die SURMOF-Schicht als „soft porous material“ durch die externen Stimuli gezielt in solche Zustände zu schalten, die den Gastransport verändern. Es wurde grundlegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der Gitterstruktur von SURMOFs durch externe Stimuli wie elektrische Felder und Licht erzielt. Es wurden Modelle auf molekularer Ebene entwickelt, wie diese Beeinflussung der SURMOF-Struktur den Gastransport durch die Schicht modifiziert. Publikationen in Science, Nature Commun. … und 2 Patente dokumentieren dies. (i) Elektrisches Schalten: Durch Anlegen elektrischer Felder von 500 V/mm an eine ZIF-8-SURMOF-Schicht werden sowohl die Menge als auch die Zusammensetzung des durch die Membranschicht strömenden Gases moduliert. Durch das elektrische Feld werden die Dipole der ZIF-8-Struktur (Methylimidazolat) und die Ionen (Zn2+) aus Gleichgewichtspositionen bewegt. Der Gastransport durch die deformierte MOF-Struktur ist verändert. Die ZIF-8-Membran erwies sich als unbegrenzt reversibel schaltbar. (ii) Opisches Schalten: Mittels Liquid Phase Epitaxy wurden Pillared-Layer SURMOFs abge-schieden, deren Linker Azobenzol-Seitengruppen enthielten. Durch Licht geeigneter Wellenlänge ließen sich die Azo-Gruppen reversibel und unbegrenzt zwischen trans und cis schalten. Dadurch konnten Menge und Zusammensetzung des durch die Membran strömenden Gases variiert werden. >BR>Weitere Ergebnisse, die nicht direkt das Schalten des Gastransport, aber die Charakterisierung der zu untersuchenden Materialien zum Gegenstand hatten, wurden durch A. Knebel, dem durch das Projekt finanzierten Doktoranden, erzielt [8-11]. A. Knebel verteidigte seine Doktorarbeit nach nur 2,5 Jahren im Juni 2018 mit “Auszeichnung”. |
| Publikationen: | [1] A. Knebel, C. Zhou, A. Huang, J. Zhang, L. Kustov, J. Caro, “Smart metal-organic frameworks (MOFs): Switching gas permeation through MOF membranes by external stimuli”, Chem. Eng. Technol. 2018,41, 224-234. DOI: 10.1002/ceat.201700635 |
| [2] A. Knebel, B. Geppert, K. Voglmann, D. I. Kolokolov, A. G. Stepanov, J. Twie-fel, P. Heitsjans, D. Volkmer, J. Caro, "Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields", Science 2017,356 (6361), 347-351. DOI: 10.1126/science.aal2456 | |
| [3] A. Knebel, J. Caro, “Device and process for controlled gas transport on metal-organic frame-work membranes”, EP162179033.2, filed on 27. June 2017. | |
| [4] Z. Wang, A. Knebel, S. Grosjean, D. Wagner, S. Bräse, C. Wöll, J. Caro, L. Heinke, "Tunable Molecular Separation by Nanoporous Membranes" Nature Communications 2016,7, 13872. DOI: | |
| [5] A. Knebel, L. Sundermann, A. Mohmeyer, S. Friebe, P. Behrens, J. Caro, "Azobenzene Guest Molecules as Light-Switchable CO2 Valves in an Ul-trathin UiO-67 Membrane", Chemistry of Materials 2017,29, 3111-3117. DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00147 | |
| [6] K. Müller, A. Knebel, F. Zhao, D. Bleger, J. Caro, L. Heinke, “Switching thin films of azobenzene-containing metal-organic frameworks with visible light”, Chem. Eur. J. 2017,23, 5434-5438. DOI: 10.1002/chem.201700989 | |
| [7] J. Caro, A. Knebel, L. Heinke, S. Grosjean, C. Wöll, Z. Wang, S. Bräse, “Photo-switching and tuning of gas transport through metal-organic framework membranes”, EP16192873.4, filed on 7. October 2016 | |
| [8] A. Knebel, P. Wulfert-Holzmann, S. Friebe, J. Pavel, I. Strauß, A. Mundstock, F. Steinbach, J. Caro, “Hierarchical nanostructures of metal-organic frameworks applied in gas separating ZIF-8-on-ZIF-67 membranes”, Chem. Eur. J. 2017,24, 5728-5733. DOI: 10.1002/chem.201705562 | |
| [9] I. Strauß, A. Mundstock, D. Hinrichs, R. Himstedt, A. Knebel, C. Reinhardt, D. Dorfs, J. Caro, “The interaction of guest molecules with Co-MOF-74: A Vis/NIR and Ra-man approach”, Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57, 7434-7439. DOI: 10.1002/anie.201801966 | |
| [10] H. Fan, J. Gu, H. Meng, A. Knebel, J. Caro, “High-flux membranes based on the covalent organic framework COF LZU1 for selective dye separation by nanofiltration”, Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57, 4083-4087. DOI: 10.1002/anie.201712816 | |
| [11] A. Knebel, S. Friebe, N.C. Bigall, M. Benzaqui, C. Serre, J. Caro, “Comparative, Study of MIL-96(Al) as Continuous MOF-Layer and Mixed-Matrix-Membrane”, ACS Applied Materials and Interfaces 2016,8, 7536-7544. DOI: 10.1021/acsami.5b12541 |