Untersuchung der komplexen Struktur in mehrskaligen porösen Materialien durch die Kombination fortschrittlicher NMR-Kryoporometrie und Relaxometrie

• Antragsteller: Professor Dr. Rustem Valiullin
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545661271

In den letzten Jahren, ist ein erhöhtes Interesse an heterogenen porösen Materialien entstanden. Mit Porengrößen im Bereich von Nanometern bis hin zu mehr als zehn Mikrometern finden sie sich in vielen Systemen wie natürlichen Tonformationen oder in künstlichen hierarchischen Porensystemen, die in der heterogenen Katalyse oder in Batterieelektroden genutzt werden. Eine komplexe Porenarchitektur macht die Erforschung ihrer strukturellen Eigenschaften und Struktur-Transport-Beziehungen extrem schwierig. Bei vielen dieser Materialien können die routinemäßig verwendeten Ansätze wie Quecksilberintrusion oder Gassorption versagen. Ersteres kann destruktiv sein und ist nicht für weiche Materialien geeignet. Letztere Methode, die in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht hat, ist auf den Mikro- und Mesoporenbereich in sorgfältig getrockneten Materialien beschränkt. Die NMR-Kryoporometrie (NMRC) ist bekannt für ihre Fähigkeit, Porengrößenverteilungen (PSD) in benetzten und weichen Materialien in einem breiten Bereich, einschließlich Makroporen, zu bestimmen. Jedoch ist die Methode trotz viele Vorteile nicht allgemein angewendet. Seine begrenzte Verwendung wird hauptsächlich durch das Fehlen fortschrittlicher Methoden verursacht, die im Vergleich zur Gassorption weitaus weniger entwickelt sind, und durch die Kosten für die Instrumente. Ziel dieses Projekts ist es zu zeigen, dass NMRC im Vergleich zu anderen Methoden ein vergleichbares oder sogar höheres Maß an strukturellen Erkenntnissen liefern kann, indem es von den jüngsten Fortschritten auf diesem Gebiet profitiert und die einzigartige Leistungsfähigkeit der NMR nutzt, die es ermöglicht, Kryoporometrie mit Relaxationsessungen zu kombinieren. Viele Experimente werden an Niedrigfeld- und Low-Cost-Instrumenten durchgeführt. Das Projekt hat die folgenden Ziele: (i) Erweiterung der NMRC-Fähigkeiten durch Einführung einer Bibliothek von Standardflüssigkeiten mit zusätzlichen Schmelz- und Gefrierkernel zur genauen Strukturbestimmung;(ii) Festlegung von Ansätzen zum Extrahieren topologischer Informationen wie Konnektivität aus den Schmelz-Gefrier-Zyklen, ergänzt durch Scanning-Experimente (Einfrieren nach teilweisem Schmelzen) und durch die Gestaltung von 2D-NMR-Experimenten zur Korrelation der magnetischen Kernrelaxation mit Fest-Flüssigkeits-Gleichgewichten; (iii) Entwicklung von NMR-Relaxationsfiltern für NMRC, die unter Bedingungen anwendbar sind, unter denen herkömmlich verwendete transversale Relaxationsfilter nicht angewendet werden können, wie, z.B., in Batterieelektroden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marc Fleury