Stickstoffmonoxid mit porösen Mini-Kristallen aufspüren
Leitfähiges 2D-metallorganisches Gerüst als ultrasensitiver Detektor.
Die Bestimmung von Stickstoffmonoxid NO ist für die Überwachung der Luftqualität wichtig, da bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetztes NO zu saurem Regen und Smog beiträgt. In der Medizin ist NO als Botenstoff bedeutsam und dient als Asthma-Biomarker. Ein Forschungsteam aus den USA und Nordkorea berichtet jetzt über ein Material, das NO stromsparend, hochempfindlich und selektiv nachweisen kann: eine kupferhaltige, elektrisch leitfähige, zweidimensionale metallorganische Gerüst-Verbindung.
Metallorganische Gerüste, abgekürzt MOFs, sind gitterartige Strukturen aus metallischen Knotenpunkten, die über organische Verbindungsstücke – die Liganden – verbrückt sind. Eine aufstrebende Klasse sind aus einzelnen Lagen aufgebaute, elektrisch leitfähige Varianten. Diese 2D-cMOFs zeigen großes Potenzial als chemiresistive Sensoren, die auf die Anwesenheit bestimmter Moleküle mit einer Änderung ihres elektrischen Widerstands reagieren und eine besonders empfindliche und stromsparende Detektion toxischer Gase ermöglichen könnten. Probleme sind bisher noch Kreuzreaktivitäten unter verschiedenen Gasen und eine nur eingeschränkte Wiederverwendbarkeit, da die Bindung der Analyte oft irreversibel ist.
Katherine Mirica vom Dartmouth College in den USA und ihre Kollegen haben jetzt ein mehrfach verwendbares 2D-cMOF für die hochselektive NO-Detektion entwickelt. Die Wahl fiel auf ein 2D-cMOF aus Kupfer-Hexaiminobenzol. Der Schlüssel zum Erfolg: Dank einer veränderten Synthesestrategie gelang es dem Team, das Material in einer deutlich höheren Kristallinität – etwa fünfhundert Nanometer lange stäbchenförmige Kristallalite – als bisher zu erhalten.
Die kleinen Kristalle bestehen aus gestapelten Lagen einer wabenartigen Struktur aus Sechsringen, die über ihre Stickstoffatome von Kupferionen zusammengehalten werden. Verschiedene spektrometrische Analysenmethoden sowie Computerberechnungen das Teile des Kupfer-2D-cMOFs Bindestelle für NO sind. Eine analoge Verbindung mit Nickel statt Kupfer zeigte keine signifikante Adsorption von NO. Offenbar spielen einfach positiv geladene Kupferionen, die in kleiner Menge neben den zweifach positiv geladenen Kupferionen in der Struktur vorkommen, eine wichtige Rolle für die Bindung von NO. Computersimulationen sprechen dafür, dass die Struktur dabei deutlich verzerrt und der gebundene Zustand destabilisiert wird – Hauptgrund für die erwünschte Reversibilität der NO-Adsorption.
Das neue Sensormaterial weist NO bei Raumtemperatur und einer Spannung von 0,1 Volt ultrasensitiv mit einer Nachweisgrenze von etwa 1,8 ppb nach und konnte über mindestens sieben Zyklen ohne Regeneration wiederverwendet werden. Quantitative NO-Messungen gelangen auch in Anwesenheit von Feuchtigkeit und zeigten eine hohe Verstärkung des Sensor-Signals für NO im Vergleich zu anderen Gasen, wie Stickstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Ammoniak, Kohlenmonoxid und -dioxid.
Wiley-VCH / RK
