Der Nobelpreis für Chemie 2025: Was sind MOFs?

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verlieh den Nobelpreis für Chemie 2025 an Susumu Kitagawa, Richard Robson und Omar M. Yaghi für ihre zukunftsweisenden Forschungen über metallorganische Gerüste (MOFs). Die revolutionären Materialien mit ihren riesigen inneren Oberflächen, ihren einstellbaren Porenstrukturen und ihrem einheitlichen Design haben sich als Eckpfeiler der Materialchemie erwiesen und bieten bahnbrechende Anwendungen in den Bereichen Energiespeicherung, Umweltdekontaminierung und Molekulartechnik.

Abb. 1 2025 Nobelpreis für Chemie

Einführung in MOFs

MOFs sind dreidimensionale Festkristalle, die aus Metallionen oder Clustern bestehen, die mit organischen Liganden koordiniert sind, wobei letztere dreidimensionale Strukturen mit hochgradig abstimmbaren Porenstrukturen erzeugen. Aufgrund der Synergie von großer Oberfläche, geringer Dichte und elastischer Struktur können Chemiker Gerüste mit vorhersagbarer Porengröße, chemischer Funktionalität und mechanischen Eigenschaften herstellen.

Bestimmte MOFs erreichen eine innere Oberfläche von mehr als 7.000 m²/g, eine Größenordnung besser als Aktivkohle, mit einem unvergleichlichen Potenzial für die Speicherung und Trennung von Molekülen. Die Modularität von MOFs ermöglicht auch die Funktionalisierung für eine bestimmte Anwendung, die von der Gastrennung und -speicherung bis hin zur Medikamentenabgabe und Katalyse reicht.

Geschichte und Entwicklung von MOFs

Die Konstruktion von metallorganischen Gerüsten (MOFs) begann mit Richard Robson im Jahr 1989, als er als erster die Theorie aufstellte, Kupferionen mit einem vierarmigen organischen Linker zu überbrücken, um ein kristallines Netzwerk mit genau definierten Hohlräumen herzustellen. Dies ebnete den Weg für ein sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet.

Dann demonstrierte Susumu Kitagawa die Vielseitigkeit von MOFs mit der Fähigkeit, Strukturen durch strukturelle Umwandlung zu verändern, so dass die Gerüste je nach Gastmolekülen "atmen" können.

Omar Yaghi erweiterte das Feld mit der Synthese von MOF-5, einem Material, das eine erstaunliche Oberfläche von mehr als 3.000 m²/g und gute Gasaufnahmefähigkeiten besitzt, was den praktischen Nutzen des Materials in realen Anwendungen zeigt, noch weiter.

Ihre Beiträge haben MOFs als eine geheimnisvolle Familie poröser kristalliner Feststoffe mit möglichen Anwendungen und auch inhärentem Interesse etabliert.

Abb. 2 Schematische Darstellung wichtiger bekannter MOFs

Synthesemethoden für MOFs

Diesolvothermische Methode ist nach wie vor die beliebteste Methode zur MOF-Synthese. Dabei werden Metallsalze und organische Liganden in Formamid-funktionalisierten protischen oder aprotischen organischen Lösungsmitteln gemischt. Die Reaktion wird in der Regel unter autogenem Druck, der über dem Siedepunkt des Lösungsmittels liegt, in einem Autoklaven durchgeführt, in dem das Kristallwachstum möglich ist und sehr geordnete Strukturen erzielt werden. Langsames Kristallwachstum ist im Allgemeinen notwendig, um große, defektfreie Kristalle mit optimaler innerer Oberfläche zu erhalten.

Obwohl die solvothermische Synthese konventionell und sicher ist, sind einige andere Methoden aufgetaucht, um die Produktstrukturen anpassbar zu machen und die Effizienz zu erhöhen. Techniken wie die mikrowellenunterstützte, sonochemische, mechanochemische, elektrochemische und ionothermische Synthese finden zunehmend breite Anwendung.

Bei der mechanochemischen Synthese werden zum Beispiel Mahlen und mechanische Energie anstelle von Lösungsmitteln eingesetzt, was die Umweltbelastung minimiert und eine schnelle Entwicklung von Gerüsten ermöglicht. Auch die mikrowellenunterstützte Synthese hat gezeigt, dass MOFs mit vergleichbarer Kristallinität in wenigen Minuten statt in Stunden hergestellt werden können. All diese Entwicklungen sind wichtig für die großtechnische Herstellung von MOFs und die Bestimmung neuer Architekturen.

Abb. 3 Konventionelle solvothermische Synthese von MOF-Strukturen

Mögliche Anwendungen von MOFs

Die einzigartigen Eigenschaften von MOFs - niedrige Dichte, hohe Oberfläche, poröse, aber einstellbare Porosität und strukturelle Flexibilität - bieten ein enormes Spektrum an möglichen Anwendungen:

• Gasspeicherung und -förderung: MOFs besitzen einen einzigartigen Anwendungswert bei der Speicherung von Wasserstoff, Methan und Kohlendioxid. MOF-5 adsorbiert beispielsweise über 20 Gew.-% Wasserstoff bei 77 K und 1 bar, und MOF-177 hat eine CO₂-Adsorption von über 6 mmol/g bei 298 K und 1 bar. Diese Eigenschaften haben MOFs zu sauberen Energiespeichermaterialien wie Wasserstoffbrennstoffzellen und Methanautos gemacht.
• Umweltsanierung: MOFs wurden eingesetzt, um Schadstoffe aus Wasser und Luft zu entfernen. Einige MOFs adsorbieren PFAS (Chemikalien für die Ewigkeit") selektiv aus Abwässern, während andere eine Affinität für Kohlendioxid aufweisen, was die Abscheidung von Kohlenstoff ermöglicht. Mg-MOF-74 zum Beispiel hat eine CO₂-Adsorptionskapazität von bis zu 8 mmol/g bei Raumbedingungen, was es für die Anwendung in der Emissionskontrolle interessant macht.
• Wasserspeicherung: Bestimmte MOFs sind in der Lage, Wasser aus trockener Luft zu sammeln. Bei Feldversuchen in trockenen Umgebungen sammelte MOF-801 auf Zirkoniumbasis bei niedriger Luftfeuchtigkeit (20-30 % relative Luftfeuchtigkeit) 2,8 Liter Wasser pro Kilogramm MOF und Tag.
• Verabreichung von Medikamenten: Poröse MOF-Architekturen ermöglichen die Verkapselung therapeutischer Moleküle zur kontrollierten Freisetzung. In experimentellen Studien haben MIL-100(Fe)-Matrizen Krebsmedikamente mit verbesserter Stabilität und gezielten Freisetzungseigenschaften freigesetzt und so die systemische Toxizität verringert.
• Energiespeicherung und Elektronik: MOFs werden für Anwendungen in Superkondensatoren, Batterien und Katalysatoren erforscht. MOFs können als Elektrodenmaterialien mit hoher Kapazität und Leitfähigkeit oder als Katalysatorträger für katalytisch aktive Metallnanopartikel verwendet werden.

Diese Anwendungen sind der Beweis dafür, dass MOFs nicht länger eine Laborkuriosität sind, sondern bereits in zahlreichen Anwendungen eine quantifizierbare, reale Leistung aufweisen. Die Kommerzialisierung in größeren Maßstäben als im Labor ist nach wie vor eine Herausforderung, aber die Forschung arbeitet weiter an der Verbesserung von Stabilität, Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

Abb. 4 Anwendungen in den Bereichen Energie, Medikamentenverabreichung und Abwasserbehandlung

Schlussfolgerung

Die Verleihung des Chemie-Nobelpreises 2025 an Kitagawa, Robson und Yaghi verdeutlicht vor allem die transformative Bedeutung von MOFs. Von bahnbrechenden Strukturkonzepten über Hightech-Synthesemethoden bis hin zu unerschlossenen Anwendungen in der Zukunft - MOFs sind ein Tribut an die Verbindung von grundlegender Chemie mit praktischem Nutzen. Weitere Industrienachrichten und technische Unterstützung finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Referenzen:

1. Dey, Chandan & Kundu, Tanay & Biswal, Bishnu & Mallick, Arijit & Banerjee, Rahul. (2013). Crystalline metal-organic frameworks (MOFs): synthesis, structure and function. Acta Crystallographica Section B. 70. 3-10. 10.1107/S2052520613029557.
2. Ganesan, M. (n.d.). Sind metallorganische Gerüste (MOFs) an einem kommerziellen Wendepunkt angelangt? CAS Einblicke.
3. Raptopoulou, C. P. (2021). Metall-organische Gerüste: Synthesemethoden und potenzielle Anwendungen. Materialien (Basel), 14(2), 310. (https://doi.org/10.3390/ma14020310)
4. Sanders, R. (2025, Oktober 8). Omar Yaghi von der UC Berkeley erhält 2025 den Nobelpreis für Chemie. Berkeley Nachrichten.
5. Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften. (2025). Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften hat beschlossen, den Nobelpreis für Chemie 2025 zu verleihen. Nobelpreis-Pressemitteilung.
6. Yusuf, V. F., Malek, N. I., & Kailasa, S. K. (2022). Review on metal-organic framework classification, synthetic approaches, and influencing factors: Anwendungen in den Bereichen Energie, Arzneimittelabgabe und Abwasserbehandlung. ACS Omega, 7(49), 44507-44531. (https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310)