TU Berlin: Neues Material für Energiespeicher und Solarzellen synthetisiert

Mikroporöse, metallorganische Gerüstverbindungen (MOF) können einerseits kleine Moleküle und Gase wie Wasserstoff, CO₂ oder sogar Giftstoffe speichern. Weil sie andererseits durch die hohe Anzahl der Poren eine große Oberfläche besitzen, wären sie auch als Material für Elektroden geeignet, etwa in sogenannten Superkondensatoren, die wesentlich schneller geladen werden können als herkömmliche Akkus. Problematisch war bislang aber, dass die meisten MOF Strom nur sehr schlecht leiten. Das neue Material mit dem Namen GTUB3 ist nun sowohl leitfähig wie auch chemisch und thermisch äußerst stabil. Was die leitfähige metallorganische Gerüstverbindung einzigartig macht: Es ist auch photolumineszent, das heißt, es leuchtet bei Bestrahlung mit Licht.

In der Stoffklasse der MOF lassen sich neue Verbindungen sehr systematisch entwickeln, weil die Moleküle modulartig aufgebaut sind. Dabei können Forscher:innen anorganische Baueinheiten über langkettige organische Verstrebungen – die Linker – miteinander verbinden. Auf diese Weise können großräumige, elementare Strukturen gebildet werden, die sich dann entweder in Schichten oder als Bausteine gestapelt wiederholen und so Kristalle bilden.

Hitzebeständig und chemisch stabil

Während es bereits über 100.000 MOF gibt, sind trotzdem weite Bereiche dieses Forschungsfelds noch wenig bearbeitet. „Vor allem von den mikroporösen MOF, die Phosphor enthalten, gibt es bisher weniger als 50“, sagt Gündoğ Yücesan von der Fakultät III Prozesswissenschaften der TU Berlin. „Sie haben unser Interesse geweckt, weil die ersten bekannten Phosphor-MOF sich als thermisch und chemisch sehr stabil herausstellten.“ Ideale Eigenschaften für das Material von Elektroden, die es in Elektrolyten oder gar Säuren lange Zeit aushalten müssen, auch wenn es bei den dort stattfindenden Reaktionen heiß wird.

Leitfähige metallorganische Gerüstverbindung in allen drei Raumrichtungen aktiv

Yücesan und sein Team haben daher bereits 2020 in Zusammenarbeit mit weiteren Universitäten und Forschungsinstituten zwei mikroporöse Phosphor-MOFs mit höherer Leitfähigkeit designt. „TUB75“ und „TUB40“, benannt nach der TU Berlin. Mit GTUB3 wird nun auch die beteiligte Gebze Technical University in der Türkei im Namen geehrt. Die neue Verbindung enthält neben Phosphonsäure unter anderem die Metalle Kupfer und Zink sowie das aus vier Kohlenstoff-Ringen bestehende Porphyrin. Alle Ausgangsstoffe sind damit preiswert, in großen Mengen vorhanden und ungiftig für Mensch und Umwelt. Der Halbleiter GTUB3 ist im Gegensatz zu seinen beiden Vorgängern in allen drei Raumrichtungen gleich gut leitfähig und temperaturbeständig bis 400 Grad Celsius.

Einsatz in Superkondensatoren für Autos, Busse und Bahnen

Ein großes Potenzial für die leitfähige metallorganische Gerüstverbindung GTUB3 sieht Yücesan bei der Verbesserung von Superkondensatoren, wie sie zur kurzfristigen Stromspeicherung bei der Rückgewinnung von Bremsenergie in Bussen und Bahnen und auch bei manchen Autos eingesetzt werden. Diese Superkondensatoren sind elektrochemische Energiespeicher mit sehr hoher Leistungsdichte, die um ein Vielfaches schneller geladen werden können als herkömmliche Akkus. Allerdings speichern sie weit weniger Energie als Akkus gleicher Masse. Neue Elektrodenmaterialien – wie zum Beispiel GTUB3 – sollen diesen Abstand verringern. „Die neue Verbindung ist zudem geeignet für die in der Industrie häufig verwendeten Dünnschicht-Verfahren zum Auftrag auf Trägermaterialien“, sagt Yücesan.

Eigenschaften auch für LED und Solarzellen interessant

Quasi als Draufgabe ist GTUB3 auch noch photolumineszent, sendet also selbst Licht aus nach Bestrahlung. Diese Eigenschaft ist essenziell für die Funktionsweise sowohl von Leuchtdioden (LED) wie auch von Solarzellen. Solch eine Vielfalt von guten Eigenschaften mache das neue Material zu einem idealen Startpunkt für die Entwicklung einer ganzen Familie von MOFs auf Phosphorbasis, so Yücesan. „Phosphonsäure hat zudem eine große Anzahl von Bindungsmöglichkeiten an Metalle, das lässt uns viel Freiheit bei der Entwicklungsarbeit.“ Auf die Keimzelle dieser Familie, GTUB3, hat die TU Berlin bereits ein Patent angemeldet.

Auch halbleitende metallorganische Gerüstverbindungen sind bekannt. Am KIT wurde bereits 2015 eine Solarzelle aus MOF hergestellt.

15.12.2022 | Quelle: TU Berlin | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH