Technische Universität Berlin

Medieninformation | 5. Oktober 2020 | kj

Extrem leicht, hochgradig porös und elektrisch leitend

Aerogele aus Graphen und COFs bieten neue Funktionalitäten

Kovalente organische Gerüstmaterialien, sogenannte COFs, sind prinzipiell für eine Reihe von Anwendungen interessant. Als unlösliches Pulver konnte ihre chemische Funktionalität jedoch bisher kaum genutzt werden. Dem Team um Prof. Dr. Arne Thomas, Leiter des Fachgebiets Funktionsmaterialien an der Technischen Universität Berlin, ist es jetzt gelungen, sogenannte Aerogele, extrem leichte und hochporöse Festkörper, aus COFs und Graphen herzustellen.

Diese zeigen nicht nur ein ausgezeichnetes Absorptionsvermögen mit einer Aufnahme von über 200 Gramm organischem Lösemittel pro Gramm Aerogel, sondern auch eine sehr gute Aktivität als Elektroden für Superkondensatoren. Die Ergebnisse erschienen jetzt in Nature Communications.

Ein Aerogel ist ein extrem leichter und hochporöser Festkörper, der zu über 99 Prozent aus Poren besteht. Um ein solches Aerogel herzustellen, hat das Team um Arne Thomas zwei bekannte Materialien kombiniert, die einzeln bereits interessante Eigenschaften aufweisen deren Kombination aber viele neue Möglichkeiten bietet. Dafür verwendeten die Forscher*innen eine ultradünne Graphitschicht, das sogenannte Graphen. „Graphen hat viele herausragende Eigenschaften, unter anderem ist es extrem leitfähig und sehr stabil“, so Arne Thomas. Bei dem zweiten Material handelt es sich um kovalent verbrückte, organische Gerüstmaterialien, sogenannte COFs („Covalent Organic Frameworks“).

Diese Polymere bestehen aus organischen Molekülen, die hochvernetzt zu geordneten, porösen Schichtstrukturen wie in einem Fliesenmuster zusammengefügt werden. Durch die starre Vernetzung ist jedoch eine vollständige Raumausfüllung nicht möglich, so dass sich winzige Poren in dem Material bilden, die nur 1 bis 2 Nanometer groß sind. Dadurch verfügen diese 2D Materialien über eine riesige, von außen zugängliche Oberfläche von oft über tausend Quadratmeter pro Gramm. „Übersetzt ist das die Oberfläche eines Fußballfelds in nur wenigen Gramm der Substanz“, so der Chemiker.

COFs sind bereits seit einigen Jahren im Fokus der Materialwissenschaftler. Um den hohen Vernetzungsgrad zu ermöglichen, werden sie bei relativ hohen Temperaturen in einem Autoklav synthetisiert. Das Problem: Sie fallen in der Regel als Pulver an, das sich kaum verarbeiten lässt, da es unlöslich und unschmelzbar ist. In der Publikation beschreiben die Wissenschaftler, wie man Graphen und COFs  miteinander zu stabilen aber mechanisch flexiblen Aerogelen verbinden kann, die viele interessante Eigenschaften zeigen.

Diese Aerogele verbinden das Beste der beiden verwendeten Materialien: Zum einen die hohe Leitfähigkeit des Graphens und zum anderen die chemische Funktionalität der COFs. „In der Arbeit konnten wir zeigen, dass man in die COFs und damit in die Aerogele zum Beispiel Moleküle integrieren kann, die spezifische Eigenschaften mitbringen.

Neuer Syntheseweg ermöglicht die Herstellung von makroskopischen Festkörpern anstelle von feinen Pulvern

Hier waren das spezielle Moleküle, die redoxaktiv sind, also reversibel reduziert und wieder oxidiert werden können. Das entstandene Aerogel ist also sehr gut leitfähig, besitzt zum einen größere Poren im Mikrometer Bereich, die einen schnellen Transport von Molekülen oder Ionen durch das Netzwerk ermöglichen, und zum anderen die sehr kleine Poren der COFs, die dem Material eine hohe Oberfläche geben. Diese Eigenschaften führen dazu, dass elektrische Ladungen sehr effizient von den Aerogelen gespeichert werden können“, erklärt Arne Thomas. Durch die Redoxaktivität der eingebauten Moleküle kann die Energiespeicherkapazität sogar noch weiter erhöht werden. Damit eignen sich diese Aerogele als aktives Material von Superkondensator-Elektroden, also zur schnellen, elektrochemischen Energiespeicherung.

Die zweite Funktionalität liegt in der extrem hohen Porosität begründet. Denkbar ist zum Beispiel der Einsatz als Superabsorber, der zur Entfernung von Öl oder verschiedener organischer Flüssigkeiten aus Wasser verwendet werden kann. Dabei kann die Struktur der COFs so flexibel variiert werden, dass sie zielgerichtet auf die zu absorbierende Flüssigkeit eingestellt werden kann. „Potenziell lassen sich für das neu synthetisierte Material viele interessante Anwendungen finden,  speziell in der Stofftrennung, der Elektrochemie oder in der Katalyse“, so Arne Thomas.