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Design, synthesis and postsynthetic modification of metal-organic materials for hydrogenstorage and chemosensing


Barman, Samir. Design, synthesis and postsynthetic modification of metal-organic materials for hydrogenstorage and chemosensing. 2012, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Poröse metallorganische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOFs) wurden in den letzten Dekaden, auf Grund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, abstimmbarer Porengrösse, funktionalisierbarer Porenwände und definierter Wasserstoffbindungstellen, intensiv als vielversprechendes Wasserstoffspeichermaterial untersucht. Neuere Ergebnisse belegen, dass MOFs mit grosser Oberfläche und hoher Porosität bis zu 10-15 Gew.-% Wasserstoff bei Flüssig- Stickstoff-Temperatur und 40-80 bar Wasserstoffdruck liefern können. Die Speicherkapazität bei Raumtemperatur, die wahrscheinlich bedeutend für praktische Anwendung wäre, sinkt dazu im Gegensatz dramatisch unter ein Zehntel der Kapazität bei tiefem Temperaturen. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die Wasserstoffadsorption in MOFs durch Physisorptionsprozesse geschieht und daher nur schwache van-der-Waals-Kräfte die primäre Bindungskraft bilden. Verschiedene Ansätze haben kürzlich gezeigt wie Bindungskräfte zwischen MOFs und Wasserstoff verstärkt werden können, um so signifikante Mengen Wasserstoff bei relativ höheren Temperaturen zu liefern. Basierend auf neueren bekannten Ergebnissen, entwickelten wir chemisch abstimmbare, poröse MOFs durch rationelles Design der organischen Bausteine der Materialien oder durch Anbringung geeigneter chemischer Bausteine an die Oberflächer der funktionelle Gruppen tragenden MOFs. Die chemische Abstimmung scheint bedeutend, um fortgeschrittene polare Bindungen durch Dipol-Dipol- oder Dipol-induzierter Dipol-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbindungen in Verbindung mit kinetischem Einfangen der Wasserstoffmoleküle zu sein. Im Besonderen hat die hier präsentierte Forschungsarbeit das systematische Design, Synthese und postsynthetische Modifikation von MOFs für Wasserstoffspeicherung und den sensitiven Nachweis von nitroaromatischen Sprengstoffen untersucht. Um den Effekt der Polarisierung auf die Stabilisierung von Wasserstoff in MOFs zu untersuchen, wurde eine Reihe neuer MOFs, basierend auf polarisierten Azulenliganden, entwickelt und ihre Wasserstoffspeichereigenschaften wurden intensiv untersucht. Zusätzlich konnte eine neue Methode für die postsynthetische Modifikation amin-funktionalisierter MOFs zur Einführung polarisierter Gruppen durch Gasphasen-Festphasen-Reaktionen aufgezeigt werden. Des Weiteren wurde eine innovative Strategie zu Einführung hoher Konzentrationen von vakanten Metallbindungstellen untersucht. Die Anwesenheit die Metallbindungsstellen wurde als förderlich für die Unterstützung von Wasserstoffmolekülen nachgewiesen. In einer weiteren Studie haben wir 3D-formbeständige organische Rezeptoren basierend auf Triptycentetracarboxylat für den hochselektiven und hochsensitiven Nachweis von Sprengstoffen duch lichtinduzierten Elektronentransfer-Quenching-Mechanismus angewendet. Zusammenfassend betrachtet, hat diese Doktorarbeit zum Feld der Wasserstoffspeicherung und der Nutzung von MOFs als Chemosensoren beigetragen.

Abstract

Poröse metallorganische Gerüste (engl. metal-organic frameworks, MOFs) wurden in den letzten Dekaden, auf Grund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, abstimmbarer Porengrösse, funktionalisierbarer Porenwände und definierter Wasserstoffbindungstellen, intensiv als vielversprechendes Wasserstoffspeichermaterial untersucht. Neuere Ergebnisse belegen, dass MOFs mit grosser Oberfläche und hoher Porosität bis zu 10-15 Gew.-% Wasserstoff bei Flüssig- Stickstoff-Temperatur und 40-80 bar Wasserstoffdruck liefern können. Die Speicherkapazität bei Raumtemperatur, die wahrscheinlich bedeutend für praktische Anwendung wäre, sinkt dazu im Gegensatz dramatisch unter ein Zehntel der Kapazität bei tiefem Temperaturen. Der Hauptgrund hierfür ist, dass die Wasserstoffadsorption in MOFs durch Physisorptionsprozesse geschieht und daher nur schwache van-der-Waals-Kräfte die primäre Bindungskraft bilden. Verschiedene Ansätze haben kürzlich gezeigt wie Bindungskräfte zwischen MOFs und Wasserstoff verstärkt werden können, um so signifikante Mengen Wasserstoff bei relativ höheren Temperaturen zu liefern. Basierend auf neueren bekannten Ergebnissen, entwickelten wir chemisch abstimmbare, poröse MOFs durch rationelles Design der organischen Bausteine der Materialien oder durch Anbringung geeigneter chemischer Bausteine an die Oberflächer der funktionelle Gruppen tragenden MOFs. Die chemische Abstimmung scheint bedeutend, um fortgeschrittene polare Bindungen durch Dipol-Dipol- oder Dipol-induzierter Dipol-Wechselwirkungen oder Wasserstoffbindungen in Verbindung mit kinetischem Einfangen der Wasserstoffmoleküle zu sein. Im Besonderen hat die hier präsentierte Forschungsarbeit das systematische Design, Synthese und postsynthetische Modifikation von MOFs für Wasserstoffspeicherung und den sensitiven Nachweis von nitroaromatischen Sprengstoffen untersucht. Um den Effekt der Polarisierung auf die Stabilisierung von Wasserstoff in MOFs zu untersuchen, wurde eine Reihe neuer MOFs, basierend auf polarisierten Azulenliganden, entwickelt und ihre Wasserstoffspeichereigenschaften wurden intensiv untersucht. Zusätzlich konnte eine neue Methode für die postsynthetische Modifikation amin-funktionalisierter MOFs zur Einführung polarisierter Gruppen durch Gasphasen-Festphasen-Reaktionen aufgezeigt werden. Des Weiteren wurde eine innovative Strategie zu Einführung hoher Konzentrationen von vakanten Metallbindungstellen untersucht. Die Anwesenheit die Metallbindungsstellen wurde als förderlich für die Unterstützung von Wasserstoffmolekülen nachgewiesen. In einer weiteren Studie haben wir 3D-formbeständige organische Rezeptoren basierend auf Triptycentetracarboxylat für den hochselektiven und hochsensitiven Nachweis von Sprengstoffen duch lichtinduzierten Elektronentransfer-Quenching-Mechanismus angewendet. Zusammenfassend betrachtet, hat diese Doktorarbeit zum Feld der Wasserstoffspeicherung und der Nutzung von MOFs als Chemosensoren beigetragen.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Berke Heinz, Patzke Greta R
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Department of Chemistry
Dewey Decimal Classification:540 Chemistry
Language:English
Date:2012
Deposited On:27 Feb 2013 13:44
Last Modified:24 Sep 2019 19:18
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod009761071&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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