Poröse Kristalle erkennen Stickstoffmonoxid

Ultrasensitive Erkennung von Stickstoffmonoxid (NO) mit einem leitfähigen 2D-Metall-Organischen Gerüst.

In einer Zeit, in der Umweltüberwachung und medizinische Diagnostik zunehmend an Bedeutung gewinnen, wird die Fähigkeit, spezifische Gase präzise zu detektieren, zu einem entscheidenden Fortschritt. Stickstoffmonoxid (NO), ein Molekül mit erheblichen Umwelt- und biologischen Implikationen, kann dank bahnbrechender Forschung zu metall-organischen Gerüsten (MOFs) nun effizienter denn je nachgewiesen werden.

Warum ist die Erkennung von Stickstoffmonoxid wichtig?

Die Erkennung von Stickstoffmonoxid (NO) ist für die Überwachung der Luftqualität entscheidend, da NO, das bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzt wird, zur Bildung von saurem Regen und Smog beiträgt. In der Medizin ist NO ein wichtiger Botenstoff und dient als Biomarker für Asthma. Ein Forschungsteam berichtet nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie über ein Material, das NO reversibel, mit geringem Energiebedarf sowie hoher Sensitivität und Selektivität nachweisen kann: ein kupferhaltiges, elektrisch leitfähiges und zweidimensionales Metall-Organisches Gerüst.

Die Rolle von Metall-Organischen Gerüsten in der Gaserkennung

Metall-organische Gerüste (MOFs) sind gitterartige Strukturen, die aus metallischen „Knotenpunkten“ bestehen, die durch organische Brücken (Liganden) verbunden sind. Eine neu entstehende Klasse von MOFs sind elektrisch leitfähige Strukturen, die aus Schichten bestehen. Diese 2D-cMOFs haben großes Potenzial als chemiresistive Sensoren gezeigt, die auf die Anwesenheit spezifischer Moleküle mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren. Dies könnte besonders empfindliche und energieeffiziente Systeme zur Erkennung toxischer Gase ermöglichen. Herausforderungen solcher Systeme sind jedoch unter anderem die Kreuzreaktivität mit verschiedenen Gasen und eine eingeschränkte Wiederverwendbarkeit aufgrund der irreversiblen Bindung der Analyten.

Ein Durchbruch: Der Kupferbasierte 2D-cMOF-Sensor

Katherine A. Mirica, Christopher H. Hendon und ihr Team vom Dartmouth College (Hanover, NH, USA), der University of Oregon (Eugene, OR/USA) und dem Ulsan National Institute of Science and Technology (Südkorea) haben nun ein wiederverwendbares 2D-cMOF für die hochselektive Erkennung von NO entwickelt. Sie verwendeten ein auf Kupfer und Hexaiminobenzen basierendes 2D-cMOF, Cu3(HIB)2. Durch eine andere Synthesestrategie (der Linker wurde als unaufgelöstes Pulver zu einer Lösung aus Cu2+-Ionen und Kaliumacetat hinzugefügt) konnte das Team ein Material mit deutlich höherer Kristallinität (stäbchenförmige Kristallite von etwa 500 nm Länge) herstellen, als dies zuvor erreicht wurde.

Die Kristallite bestehen aus gestapelten Schichten einer netzartigen Struktur aus sechsgliedrigen Ringen, die durch Kupferionen verbunden sind, die an ihre Stickstoffatome binden. Spektrometrische Analysen und Berechnungen zeigten, dass die Bindungsstellen für NO Cu-bis(Iminobenzosemiquinon)-Einheiten der Kupfer-2D-cMOFs sind. Eine analoge Verbindung, die mit Nickel statt Kupfer hergestellt wurde, zeigte keine signifikante Absorption von NO. Offenbar spielen einwertige Kupferionen, die in geringen Mengen neben zweiwertigen Kupferionen in der Struktur vorhanden sind, eine wichtige Rolle bei der Bindung von NO. Computergestützte Studien legen nahe, dass das adsorbierte NO die Struktur erheblich verzerrt und den gebundenen Zustand destabilisiert, was der Hauptgrund für die gewünschte Reversibilität der NO-Adsorption ist.

Dieses neue Sensormaterial erkennt NO bei Raumtemperatur und niedriger Spannung (0,1 V) mit hoher Empfindlichkeit (Nachweisgrenze etwa 1,8 ppb) und konnte mindestens sieben Zyklen ohne Regeneration wiederverwendet werden. Quantitative Messungen von NO waren auch in Gegenwart von Feuchtigkeit möglich und zeigten eine signifikante Verstärkung des Sensorsignals für NO im Vergleich zu anderen Gasen wie Stickstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Ammoniak sowie Kohlenmonoxid und -dioxid.

2D-cMOFs und die Zukunft der Verschmutzungsprävention

Die Entwicklung von 2D-cMOFs zeigt, wie fortschrittliche Materialwissenschaften ernste globale Herausforderungen angehen können. Durch die Ermöglichung einer energiearmen, selektiven und wiederverwendbaren Stickstoffmonoxid-Erkennung schafft diese Innovation Wege für nachhaltigere und effizientere Überwachungssysteme. Während Forscher weiterhin die MOF-Technologie verfeinern, eröffnen sich Möglichkeiten zur Erkennung und Reduzierung schädlicher Gase, die das Wachstum im Bereich der Schadstoffprävention fördern.

Über die Autorin
Dr. Katherine Mirica ist außerordentliche Professorin für Chemie am Dartmouth College. Ihre Hauptforschung konzentriert sich auf die Entwicklung multifunktionaler poröser Materialien zur Detektion, Filtration und Entgiftung gefährlicher Chemikalien. Sie ist außerdem assoziierte Herausgeberin von ACS Sensors.

Originalveröffentlichung
Dr. Hyuk-Jun Noh, Doran L. Pennington, Dr. Jeong-Min Seo, Evan Cline, Georganna Benedetto, Prof. Jong-Beom Baek, Prof. Christopher H. Hendon, Prof. Katherine A. Mirica
Zeitschrift: Angewandte Chemie
Titel des Artikels: Reversible and Ultrasensitive Detection of Nitric Oxide Using a Conductive Two-Dimensional Metal–Organic Framework
Veröffentlichungsdatum: 24. November 2024
DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202419869