Das Team von der Uni Wien stellte nun im Fachblatt „Angewandte Chemie“ eine neue Variante von sogenannten „Covalent organic frameworks“ (COF) vor. Die neue Materialklasse besticht durch ihre poröse Schwammstruktur und entsprechend viel Oberfläche.
Suche nach organischen Farbstoffen
Der Vorteil der nanoporösen Materialien liegt darin, dass sie durch die vielen Löcher besonders viel Oberfläche auf kleinstem Raum bieten. Genau das braucht es, wenn etwa Schadstoffe aus Flüssigkeiten gefiltert werden sollen. Je mehr frei zugängliche Fläche das Material zu bieten hat, desto mehr Partikel können mit der Oberfläche reagieren, gebunden und herausgeholt werden.
Das Ziel des Teams um Changxia Li und Freddy Kleitz von der Fakultät für Chemie der Universität Wien waren organische Farbstoffe. Sie sind gut wasserlöslich, werden dort allerdings nicht abgebaut, und sind in einigen Fällen giftig bis krebserregend, heißt es am Montag in einer Aussendung der Uni. „Es gibt heute verschiedene Wege, darunter Aktivkohle-Filter, um Wasser zu reinigen, aber bei der Effizienz bzw. Adsorptionskapazität der Anwendungen gibt es noch Luft nach oben“, so Li.
Winziger Schwamm
Nach den Farbstoffen in der Größe zwischen 0,8 bis 1,6 Nanometern fischten die Wiener Fachleute mit COF aus eigener, neuartiger Fertigung. Diese besonderen Gerüstverbindungen ließen sie auf dem in den vergangenen Jahren aufgrund seiner besonderen Eigenschaften oft als „Wundermaterial“ bezeichneten Graphen entstehen.
Man habe eine Methode entwickelt, mit der COF „vergleichsweise umweltfreundlich, unter Nutzung von Wasser“ gebildet werden können. Die Forscherinnen und Forscher konnten „quasi kleine ‚Schwämme‘ designen, mit speziellen Porengrößen und Porenformen im Nanometerbereich sowie einer abgestimmten negativen Oberflächenladung, die sehr selektiv die positiv geladenen Zielmoleküle, also unsere Farbstoffe, aus dem Wasser herausziehen konnte. So wie der Schwamm das Wasser aufsaugt, nur dass es bei uns die Schadstoffe sind“, so die Studienautoren.
Wieder verwendbar
Im Gegensatz zur Verwendung von COF-Pulver, wo die kleinen Kanäle im Inneren oft nicht mehr erreicht werden, weil das Material schon im äußeren Bereich von größeren Schadstoffmolekülen verstopft sein kann, ist das Graphen nur sehr dünn bewachsen. Das biete insgesamt mehr zugängliche Adsorptionsstellen. Dadurch könne das Filterpotenzial für die organischen Schadstoffe besser ausgeschöpft werden. Zudem sei das Verbundmaterial relativ kostengünstig, weil dafür wenig Graphen gebraucht wird und der Filter nach dem Auswaschen der Schadstoffe wieder verwendet werden könne, heißt es.