Functional hybrid materials supported catalysts

Flertallet av industrielle katalytiske prosesser er basert på heterogene systemer. Vanligvis finnes katalysatoren i faste fase, mens reaktanter og produkter er i væskefase eller gassfase. En fordel er da at produkter og katalysator lett kan separeres. Imidlertid er heterogene katalysatorer vanligvis ikke så veldefinert på atomnivå som molekylære systemer som typisk brukes i homogene katalytiske prosesser, et faktum som har betydelige konsekvenser for kvaliteten av produktene oppnådd i prosessen. En lovende tilnærming til å kombinere fordelene av homogen og heterogen katalyse er immobilisering av et homogent katalysatorsystem på et egnet bærermaterial. Materialene vi jobber med i dette prosjektet er metallorganiske rammeverk (MOFer), som er krystallinske forbindelser dannes via selv-organisering av uorganiske og organiske sekundære byggeklosser. Krystalliniteten betyr at omgivelsen til hvert atom allerede er godt definert, slik som i et molekyl som virker som homogen katalysator, selv om MOFen er et fast stoff. MOFer er vanligvis mikroporøse med porestørrelser under 2 nm, men et par mesoporøse eksempler med større porestørrelser er også kjent. Dette prosjektet fokuserer på egenskapene til MOFene relatert til deres porøsitet, som gassadsorpsjon og katalyse. Muligheten til å bruke mange forskjellige byggeklosser i konstruksjonen av rammeverket betyr at MOFene har potensial for bruk på mange flere områder. Som en konsekvens, er forskning på MOFer et svært aktiv og konkurranseutsatt felt. Prosjektet omfatter et mangfold av aktiviteter som spenner fra organisk til uorganisk og fysikalsk kjemi. Hver aktivitet er avhengig av suksess for den foregående aktiviteten. Først må vi syntetisere de organiske molekylene vi anser som lovende for å oppnå prosjektets mål. Fordi de ikke er kommersielt tilgjengelig, må syntetiske metoder utvikles og gjennomføres. Som neste trinn, må MOFer fremstilles ved hjelp av disse organiske molekylene. Det er nødvendig å undersøke nye MOF forbindelser grundig. Dette omfatter bestemmelse av deres krystallstruktur, termisk stabilitet og gass adsorpsjonsegenskaper. Basert på dette kan vi vurdere hvorvidt en gitt MOF kan benyttes i forsøk på å immobilisere katalytisk aktive systemer. For eksempel, er størrelsen av porene i MOFen for liten slik at det molekylære system ikke kan bli tatt opp og bundet til bindingssenterne på den indre overflate av rammeverket? Bare etter at de første to trinnene er vellykket, kan man prøve å gjennomføre selve immobilisering, fulgt av karakteriseringen av det resulterende materialet og testing av den katalytiske evnen. Mye fokus i prosjektet har handlet om utvikling av syntetiske metoder til en rekke organiske forbindelser med strukturer som vi anser som lovende for videre syntese av relevante MOFer. Etterhvert som disse organiske linkermolekylene ble tilgjengelig, ble de brukt i syntese av MOFer, og et par nye MOFer har blitt syntetisert og karakterisert. Katalytiske egenskaper av noe av disse har også ble evaluert. Disse resultatene ble presentert på internasjonale konferanser og i publikasjoner. Parallelt har vi fortsatt våre undersøkelser av et MOF material kjent som CPO-27. Denne forbindelsen inneholder et stort antall eksponerte metallkationer. Disse har en stort effekt på host-gjest interaksjon i materialet og er av interesse både i gassadsorpsjon og katalyse. Vi er spesielt interessert i egenskaper av CPO-27 materialene mot hydrogenlagring og som adsorbent eller katalysator for karbon dioksid, i.e. evnen av disse materialer å spille en rolle i skifte av energisystemet mot grønn energi. Materialet viser et stort opptaksevne til det siste som gjør den muligens nyttig i gassrensinganvendelser.

The project is part of the strategic initiate of the Department of Chemistry at the University of Bergen to strengthen its profile in Materials Science and catalysis, as a follow-up to the suggestion of both the Weitkamp report and the Hey-Hawkins report. The project will form a nucleus for cooperation within the Department of Chemistry at the University of Bergen, linking activities in materials synthesis, crystallography, catalyst evaluation, computational chemistry, and organic synthesis. The aim is to establish an internationally visible research programme in modern materials science and catalysis. The primary goal of the project is to prepare and evaluate metal-organic frameworks as heterogeneous catalysts. The principal approach is based on the immo bilization of known homogenous catalyst systems on the surface of micro- or mesoporous metal-organic framework compounds containing suitable bonding sites. The project encompasses the synthesis of the organic linker molecules deemed suitable to achieve th is goal, the preparation and characterization of porous metal-organic framework compounds from these linkers, the immobilization of the homogenous catalyst system, catalytic testing, and computational modeling. The project will link experimental and compu tational activities to achieve a better understanding of the structure-property relationship of the prepared materials.