Synthesis of two-dimensional covalent organic frameworks at surfaces

Promovendus/a: Niklas Herrmann

Promotor(en): Prof. dr. Steven De Feyter, De heer Kunal Mali

Tweedimensionale materialen (2DM's), zoals grafeen, hebben eigenschappen waardoor ze interessant zijn voor vele toepassingen, bijvoorbeeld in energieopslag, katalyse, optica of geneeskunde. Om hun volledige potentieel te benutten, is het ontwerpen en synthetiseren van op maat gemaakte 2DM's een belangrijk doel. 2D covalente organische roosters (2D COF's) zijn een klasse van 2DM's, geproduceerd door het chemisch verbinden van moleculen, waardoor een geordende, "kristallijne" 2D plaat wordt gevormd.

In dit werk wordt de synthese van verschillende 2D COF's onderzocht. In tegenstelling tot de meeste tot nu toe gepubliceerde 2D COFs, die gesynthetiseerd worden bij hoge temperaturen en drukken, met lange reactietijden, worden milde omstandigheden gebruikt op het grensvlak tussen een vast substraat en een organisch oplosmiddel. Deze aanpak maakt niet alleen de synthese van 2D COF’s die bestaan uit één of slechts enkele lagen mogelijk, maar ook het gebruik van rastertunnelmicroscopie (STM), een techniek die gebruik maakt van het kwantummechanische tunneleffect om zeer kleine structuren zoals moleculen direct af te beelden met een zeer hoge resolutie.

Voor een 2D COF op basis van boroxine werd de potentiële invloed van de STM-beeldvorming op de groei van het COF onderzocht en verwaarloosbaar bevonden. Voor een ander type 2D COF, gesynthetiseerd uit een zogenaamd "twee-in-één" monomeer, werd een zeer snelle reactie onder milde omstandigheden gevonden. Bovendien vormt en groeit deze COF zich niet op het gebruikte vaste substraat, maar in de oplossing erboven, in tegenstelling tot de meeste tot nu toe gerapporteerde COF's die gesynthetiseerd zijn op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof.

De zelfassemblage van een porfyrine-gebaseerde molecule en een tot nu toe niet gerapporteerde nieuwe molecule, pyreen-1,6-diboronzuur werd ook onderzocht met grenslaag STM. Het laatste hoofdstuk van het gepresenteerde werk presenteert het ontwerp en de synthese van twee nieuwe boroxine 2D COF-monomeermoleculen, die het vermogen hebben om zich te binden aan verschillende metalen. Hoewel het beoogde metaalbevattende 2D COF niet werd gevormd, werden complexe chemische reactiepaden gevonden en geanalyseerd met behulp van verschillende analytische technieken.