Kooperative Effekte für die Fixierung von Kohlenstoffdioxid in nanoporösen, bifunktionellen Organosilikatmaterialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Karin Hauser; Professor Dr. Sebastian Polarz
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436399771

Atmosphärisches Kohlenstoffdioxid (CO2) ist ein Beispiel für ein in Fülle vorkommendes Abfallprodukt. Die chemische Verwandlung von Abfallstoffen zu wertvollen Produkten ist enorm wünschenswert, besonders dann, wenn die einzelnen Prozessschritte nicht mit dem Verbrauch von signifikanten Mengen Energie oder anderen Ressourcen verbunden sind. Für den ersten Schritt, die Fixierung von CO2 aus der Gasphase, ist Nachhaltigkeit für das etablierte nasschemische Verfahren nur bedingt erfüllt, die sogenannten Aminwäsche. Der Entwicklung von festen Adsorbentien für CO2 wurde deswegen international großes Interesse entgegengebracht. Für das Wechselspiel von CO2-Bindung und der späteren Abgabe in Folgeschritten und die Regeneration des Materials ist es wichtig, die Adsorptionsenthalpien präzise einstellen zu können. Nanoporöse Silikate, deren Oberflächen mit primären Aminen dekoriert sind, haben sich für die Fixierung von CO2 als sehr vielversprechend erwiesen. In der Literatur werden aber fast ausschließlich Materialien diskutiert, die lediglich eine funktionelle (Amin-) Gruppe aufweisen. Hier setzen wir an. Wir wollen verstehen, wie das CO2 Adsorptionsverhalten verändert wird, wenn eine zusätzliche, dem Amin auf der Oberfläche benachbarte, funktionelle Gruppe vorhanden ist. Das Projekt besteht demnach aus einem Material-synthetischem Teil, in dem entsprechende, bifunktionelle Organosilikataerogele in monolithischer Form hergestellt werden. Eine enge Verschränkung existiert zu einem physikalisch-chemischen Projektteil, in dem das Adsorptionsverhalten mittels (T-abhängiger) volumetrischer und gleichzeitig spektroskopischer Methoden (einschließlich ortsaufgelöster Techniken) unter analogen Bedingungen verfolgt wird. Wir erhoffen uns durch die Korrelation der Daten zu Aufnahmekapazitäten und Adsorptionsenthalpien mit den spektroskopischen und kinetischen Daten zu Aussagen zu kommen, welche Nachbargruppen zu besonders starken Effekten führt und warum. Nachdem zunächst vielversprechende Kombinationen von Amin- und Nachbargruppen identifiziert wurden, spannt sich ein weiterer Parameterraum auf, da die relative Häufigkeit beider Gruppen zueinander ebenfalls sehr wichtig ist. Wir werden diesen Parameterraum untersuchen, indem neuartige Materialien mit chemischen Gradienten eingesetzt werden, in denen sich die Dichte einer der Komponenten systematisch entlang einer Ortskoordinate ändert. Zum Aufbau der Gradienten werden die Monolithe mittels der Klickchemie (Azid-Alkin; Thiol-Alken) anisotrop modifiziert. Die so erhaltenen Materialien können nun mittels der IR-Mikroskopie ortsaufgelöst in Bezug auf die Aufnahme von CO2 analysiert werden, wobei die vorhandene Direktionalität eine weitere, hochinteressante Forschungsperspektive bietet. Das Vorhandensein eines Gradientenmaterials eröffnet weitergehende Forschungsperspektiven, z.B. die Untersuchung von direktionalem und anisotropen Stofftransport in den Materialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen