Eisenoxid als Ultraleichtgewicht

Ultraleicht: 240 cm³ des neuen porösen Eisenoxidmaterials können auf einer Oleanderblüte balancieren ohne sie zu zerdrücken / Bildquelle: Wiley-VCH

Ob Adsorption, Katalyse oder Substrat für die Gewebezucht – poröse Materialien sind für viele Anwendungen interessant. Ein chinesisch-australisches Team stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine Methode zur Synthese ultraleichter dreidimensionaler Eisenoxidgerüste mit zwei verschieden großen nanoskopischen Porentypen und einstellbaren Oberflächeneigenschaften vor. Das superparamagnetische Material lässt sich zu beliebigen Formen schneiden und eignet sich beispielsweise zur Mehrphasenkatalyse 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 Eisenoxidgerüst 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 Polyurethanschwämme 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 Eisenoxidwürfeln, die wiederum aus Eisenoxidnanopartikeln aufgebaut und von Mesoporen durchzogen sind. Es ist so leicht, dass die Forscher 240 cm³ 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 Eisenoxidgerüst mehr als das 150fache seines eigenen Gewichts an Benzin auf.

Die mit Resol beschichteten Gerüste eignen sich außerdem als Nanoreaktoren für katalytische Mehrphasenreaktionen zwischen hydrophilen und hydrophoben Reaktanden, die normalerweise nur durch Zugabe diverser Lösungsvermittler und Co-Lösungsmittel mischbar werden. Mit dem resolbeschichteten Eisenoxidgerüst 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 Eisenoxidnanopatikel magnetisch rückgewonnen werden.

Originalveröffentlichung: Angewandte Chemie, http://dx.doi.org/10.1002/ange.201308625

www.gdch.de