Materialien: Eisenoxid als Ultraleichtgewicht

27.02.2014

Ein chinesisch-australisches Team stellt eine Methode zur Synthese ultraleichter dreidimensionaler Eisenoxid-Gerüste mit zwei verschieden großen nanoskopischen Porentypen und einstellbaren Oberflächeneigenschaften vor.

Ob Adsorption, Katalyse oder Substrat für die Gewebezucht – poröse Materialien sind für viele Anwendungen interessant. Das neue superparamagnetische Material lässt sich zu beliebigen Formen schneiden und eignet sich zum Beispiel zur Mehrphasen-Katalyse sowie zur Entfernung von Schwermetallionen und Öl aus Wasser.

Auf dem Wunschzettel ganz oben stehen Materialien mit hierarchisch aufgebauten Porensystemen, das heißt in den Wänden von Makroporen mit Durchmessern im Mikrometerbereich sollen Mesoporen von wenigen Nanometern Durchmesser eingebettet sein. Die Vorteile liegen in der hohen Oberfläche und der leichten Zugänglichkeit der kleinen Poren über die größeren. So begehrt sie sind, so schwierig ist ihre Herstellung im technischen Maßstab.

Wissenschaftlern von der Universität Fudan (China) und der Monash University (Australien) ist es nun gelungen, ein ultraleichtes Eisenoxid-Gerüst mit Poren von 250 µm und von 18 nm in einem auf den technischen Maßstab übertragbaren Verfahren herzustellen. Das Team um Gengfeng Zheng und Dongyuan Zhao verwendet hochporöse Polyurethan-Schwämme als „Matrize“, die sie mit gelbem Blutlaugensalz (Kaliumhexacyanoferrat(II)) tränken. Bei der folgenden Hydrolyse entstehen würfelförmige Nanokristalle aus Berliner Blau (Eisenhexacyanoferrat), einem tiefblauen Pigment, die sich auf allen Oberflächen des Schwamms niederschlagen. Durch Pyrolyse wird das Polyurethan vollständig verbrannt und das Berliner Blau zu Eisenoxid umgesetzt. Ergebnis ist ein 3D-Gerüst aus Eisenoxid-Würfeln, die wiederum aus Eisenoxid-Nanopartikeln aufgebaut und von Mesoporen durchzogen sind. Es ist so leicht, dass die Forscher 240 cm^3 des neuen Materials auf einer Oleanderblüte balancieren konnten.

Die Benetzbarkeit der Oberfläche des 3D-Gerüsts lässt sich durch Modifizierungen problemlos von stark hydrophil bis zu stark hydrophob variieren und so für verschiedene Anwendungen maßschneidern. Die Forscher demonstrierten dies an der Entfernung von Arsenionen aus kontaminiertem Wasser und der Trennung von Wasser und Benzin. Dabei saugte ein mit Resol beschichtetes Eisenoxid-Gerüst mehr als das 150fache seines eigenen Gewichts an Benzin auf.

Die mit Resol beschichteten Gerüste eignen sich außerdem als Nanoreaktoren für katalytische Mehrphasen-Reaktionen zwischen hydrophilen und hydrophoben Reaktanden, die normalerweise nur durch Zugabe diverser Lösungsvermittler und Co-Lösungsmittel mischbar werden. Mit dem resolbeschichteten Eisenoxid-Gerüst läuft die Reaktion dagegen ohne diese Hilfsmittel wesentlich schneller, selektiver und mit hohem Umsatz. Grund ist eine gezielt einstellbare Benetzbarkeit der Oberfläche der Mesoporen, die beide Reaktionspartner aufnehmen und so in Kontakt miteinander bringen. Der Katalysator kann aufgrund seiner superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopatikel magnetisch rückgewonnen werden.

COMPAMED.de; Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.