Micro-Imaging zur Erforschung von Diffusion und Reaktion in nanoporösen Materialien

• Antragsteller: Dr. Christian Chmelik
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277220792

Neue Synthesewege und Fertigungstechnologien führten in den letzten Jahren zu einer neuen Vielfalt an nanoporösen Materialien und Möglichkeiten für deren technologischen Einsatz, zugleich aber auch zu einer Fülle neuer Fragestellungen zum Stofftransport. Deren Beantwortung ist essentiell für die Optimierung des technologischen Einsatzes dieser Materialien und lässt zugleich grundlegend neue Erkenntnisse zur molekularen Dynamik unter räumlicher Begrenzung erwarten. Mit dem erfolgreichen Einsatz von Interferenz- und IR-Mikroskopie zur Aufzeichnung der räumlich-zeitlichen Abhängigkeit von Molekülkonzentrationen in nanoporösen Materialien steht uns heute ein Instrumentarium zur Erforschung des molekularen Stofftransports von noch nie dagewesener Leistungsstärke zur Verfügung. Nachdem in insbesondere auch apparativ-methodischen Arbeiten im Rahmen eines Vorgängerprojektes dieser neue (als Micro-Imaging bezeichnete) Zugang zur molekularen Dynamik in nanoporösen Wirt-Gast-Systemen erschlossen und sein Potential an Beispielen illustriert wurde, soll dieses nun in seiner gesamten Breite zum Einsatz kommen. Neben apparativ-methodischer Entwicklungsarbeit zur Messbereichserweiterung und Messgenauigkeitsverbesserung, stehen drei Problemfelder im Zentrum der geplanten Arbeiten: (i) Ein erster Komplex ist dem Einfluss der Realstruktur nanoporöser Materialien auf die Diffusion von Einzelstoffen und Gemischen gewidmet. Neben der Quantifizierung und Lokalisierung von zusätzlich zum Diffusionswiderstand des genuinen Porensystems wirkenden Transportwiderständen im Inneren der Kristalle und an deren Oberfläche soll hierbei insbesondere auch die Rückwirkung der Gastmoleküle auf die Wirtstruktur und die mit diesem (oft als Atmung bezeichneten) Prozess verbundene Veränderung im Diffusionsverhalten untersucht werden. Mit den gleichfalls geplanten Untersuchungen zur Moleküldiffusion in mikroporösen Polymeren würde auch in stofflicher Hinsicht absolutes Neuland betreten. (ii) Ein zweites Themenfeld betrifft die Messung der Entwicklung der intrakristallinen Konzentrationen im Inneren von nanoporösen Katalysator-Kristallen, also direkt am Ort der ablaufenden Reaktionen. Die Beobachtung der räumlich-zeitlichen Entwicklung von Konzentrationsprofilen der beteiligten Komponenten - also das in-situ monitoring transienter Profile - eröffnet ein neues Feld der Katalyseforschung. (iii) Im Zentrum des dritten Themenkreises stehen Untersuchungen zur Dynamik von Phasenumwandlungen in mesoporösen Materialien. NMR-Diffusionsmessungen zeigten, dass in solchen Systemen im Hysteresebereich trotz divergierender Sorptionszeitkonstanten die Gastdiffusion mit unverminderter Schnelligkeit erfolgt, das slowing-down im Gleichgewichtsprozess also auf Umlagerungsprozesse großer molekularer Ensembles und deren divergierende Zeitkonstanten zurückzuführen sein muss. Genau diese Umlagerungen sollen nun mittels Micro-Imaging einer direkten Beobachtung zugänglich gemacht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen