Ultradünne Filme erzielen Rekordwerte bei der Wasserstoffabscheidung
Metallorganische Gerüste (MOFs) sind eine Klasse von Materialien, die Poren im Nanobereich enthalten. Diese Poren verleihen MOFs eine rekordverdächtige innere Oberfläche, was sie für eine Reihe von Anwendungen äusserst vielseitig macht: Trennung von Petrochemikalien und Gasen, Nachahmung von DNA, Erzeugung von Wasserstoff und Entfernung von Schwermetallen, Fluoridanionen und sogar Gold aus Wasser sind nur einige Beispiele.
Im Bereich der Gastrennung sind MOFs besonders interessant für die Trennung von Wasserstoff und Stickstoff, die für die Erzeugung sauberer Energie, die Effizienz von Brennstoffzellen, die Ammoniaksynthese und verschiedene industrielle Prozesse entscheidend ist. Die Wasserstoff-Stickstoff-Trennung hat auch eine Reihe von Vorteilen für die Umwelt, was sie zu einem wesentlichen Faktor für die Förderung nachhaltiger Technologien und industrieller Verfahren macht.
Nun hat ein Forschendenteam unter der Leitung von Professor Kumar Varoon Agrawal von der EPFL-Fakultät für Grundlagenwissenschaften einen MOF-Film mit der kleinstmöglichen Dicke entwickelt, der eine Wasserstoff-Stickstoff-Trennung in Rekordhöhe ermöglicht. Die Forschenden arbeiteten mit einer Art von MOFs, die als zeolithische Imidazolat-Frameworks (ZIFs) bekannt sind und aufgrund ihres Potenzials für molekulare Trennungen, Sensorik und andere Anwendungen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben.
Zur Herstellung der Filme verwendeten die Forschenden ein innovatives Kristallisationsverfahren, das sich die präzise Ausrichtung von extrem verdünnten Vorläufermischungen auf das darunter liegende kristalline Substrat zunutze macht. Durch die sorgfältige Kontrolle der Konzentrationen der Ausgangsstoffe und der Wechselwirkungen mit dem Substrat konnte das Team das Wachstum ausserhalb der Ebene unterdrücken – ein häufiges Problem bei der Herstellung dünner Schichten.
Der Ansatz zahlte sich aus: Innerhalb weniger Minuten und bei Raumtemperatur konnten die Forschenden makroskopisch gleichmässige zweidimensionale (2D) ZIF-Schichten mit einer noch nie dagewesenen Dicke herstellen: nur eine Struktureinheit, die nur zwei Nanometer misst. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigten auch, dass das Verfahren skalierbar ist und Filme mit einer Fläche von Hunderten von Quadratzentimetern herstellen kann. Mit diesem Durchbruch werden herkömmliche Methoden überwunden, bei denen die Dicke von ZIF-Filmen auf 50 Nanometer begrenzt war, was ihre breite Anwendung erschwerte.
Der ZIF-Film weist eine einzigartige Konfiguration auf: ein nanometerdicker Film mit einer gleichmässigen Anordnung von wasserstoffspaltenden sechsgliedrigen Zink-Imidazolat-Koordinationsringen. Kumar Agrawal erklärt: «Dies ermöglicht eine aussergewöhnliche Kombination aus Wasserstofffluss und Selektivität und birgt ein immenses Potenzial für hocheffiziente Gastrennungsanwendungen.»
