MOFs – Beeinflussung der Eigenschaften

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Metallorganische Gerüstverbindungen (Metal-Organic Frameworks, MOFs) sind poröse Materialien mit beispielloser chemischer und struktureller Abstimmbarkeit, daher sind sie ideal zur Konstruktion von neuen funktionellen Materialien. In dem Artikel „Metal-organic framework functionalization and design strategies for advanced electrochemical energy storage devices“ (Nature, Review Artikel, open access) beschreiben Baumann et al. die synthetischen Ansätzen zur Steuerung von MOF-Eigenschaften. Besonders wird dabei auf die Anwendung von MOFs in Superkondensatoren und Feststoffbatterien eingegangen.

Vereinfachte Darstellung des Aufbaus von MOFs.
Vereinfachte Darstellung des Aufbaus von MOFs.

Steuerung von MOF-Eigenschaften für elektrochemische Anwendungen

Physikalische und chemische Eigenschaften

Mehrere umfassende Übersichtsarbeiten haben bereits die Vielzahl von Synthesestrategien zur Abstimmung von Chemie, Stabilität, Partikelgröße und Flexibilität des MOF-Gerüsts hervorgehoben. MOFs können auch post-synthetisch modifiziert werden, um die Eigenschaften durch Austauschen oder Entfernen von Linker- oder Knotenkomponenten im Framework weiter zu optimieren.

Beeinflussung der elektrochemischen Stabilität von MOFs

  • Die mechanische Eigenschaften können unter anderem durch die Einführung flexibler Linker, die Art der Metallionen oder Manipulation der Kristallgröße eingestellt werden.
    • MOFs, die aus nicht redoxaktiven Metallionen und kürzeren, starreren Linkern bestehen, weisen oft eine größere thermische und chemische Stabilität auf.
    • Eine hohe Porösität und Flexibilität erlaubt dagegen Ionenspeicherung und -transport.
    • Bei Elektroden mit Dendritenbildung kann eine strukturelle Steifheit erforderlich sein und Kurzschlüsse zu vermeiden.
    • Flexible MOFs sind dort besonders sinnvoll, wo die strukturelle Integrität aufrecht erhalten werden muss, also dort, wo das Material Volumenexpansion und -kontraktion erfährt.
      • Flexible MOFs können als Sicherheitsschalter dienen: Eine Änderung der Temperatur, Spannung oder ein mechanisches Signal könnten einen „Abschalt“-Mechanismus induzieren, um sowohl das Gerät als auch den Benutzer zu schützen.

Porosität und Oberfläche

MOFs am bekanntesten für ihre Porosität und die große (innere) Oberfläche. Die Porengröße und Topologie des Gerüsts können durch Auswahl geeigneter Linker und Metallionen fein abgestimmt werden. Isoretikuläre MOFs ermöglichen die unabhängige Beobachtung struktureller und chemischer Faktoren, die sich auf elektrochemische Prozesse auswirken.

  • Eine größere Oberfläche ist unter anderem für katalytische Prozesse wie die Sauerstoffreduktion (ORR) in Lithium-Sauerstoff-Batterien günstig.

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