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Funktionelle Materialien

Feststoffe mit definierter Funktionalität sind in vielen Bereichen der chemischen Forschung von großer Wichtigkeit. Für Prozesse, die sich an der Grenzfläche zwischen einem Feststoff und einem flüssigen oder gasförmigen Fluid abspielen, ist vor allem die Beschaffenheit und Funktionalität der Feststoffoberfläche von herausragender Bedeutung. Typische Beispiele sind heterogen katalysierte Reaktionen, Adsorptionsprozesse oder elektrochemische Reaktionen. Neben der Oberflächenfunktionalität sind darüber hinaus in der Regel hohe spezifische Oberflächen vorteilhaft, wie sie beispielsweise in nanoporösen Feststoffen oder bei nanoskopischen Partikeln vorliegen.

Wolfgang N. Schmidt

Dr. Wolfgang N. Schmidt

seit 2009
Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
2005
Gastprofessur am CNRS MADIREL, Marseille, Frankreich
1998–2008
Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
1995–1998
Wissenschaftler an der Johann-Wolfgang-Goethe Universität, Frankfurt
1994–1995
Wissenschaftler an der Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz
1994
Promotion an der Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz
1991
Forschungsaufenthalt am Boreskov-Institute of Catalysis, Novosibirsk, USSR
1990
Diplom in Chemie an der Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz
1962
Geboren in Montabaur/Deutschland
seit 2013
Editor in Chief von Microporous and Mesoporous Materials
2011-2013
Regional Editor Europe von Microporous and Mesoporous Materials
seit 2011
Mitglied Editorial Board von Microporous and Mesoporous Materials
seit 2009
Ombudsman am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung
 

Forschungsthemen

Zeolithe und verwandte Molekularsiebe
Zeolithe und verwandte Molekularsiebe

Zeolithe und verwandte Molekularsiebe

Zeolithe bilden eine Klasse von kristallinen mikroporösen Feststoffen. Es handelt sich meist um Alumosilicate, deren Strukturen aus eckenverknüpften SiO4 - and AlO4 – Tetraedern gebildet werden. Der Einbau von dreiwertigen Aluminiumkationen, die tetraedrisch von Sauerstoffanionen koordiniert werden, in das Silicatgerüst führt zu negativen Gerüstladungen. Dieser Ladungen werden durch austauschbare Kationen in den Mikroporen (< 2 nm) der Zeolithe kompensiert. Die Mikroporen sind intrinsische Baueinheiten von Zeolithstrukturen und bilden Kanäle und/oder Käfige innerhalb der Strukturen aus. Austausch der in den Mikroporen vorliegenden Kationen durch Protonen resultiert in Zeolithen mit den Eigenschaften von Feststoff-Säuren. Solche Materialien sind ausgezeichnete Katalysatoren für petrochemische Prozesse und für die Produktion von Feinchemikalien. Darüber hinaus limitieren die Porengrößen und –geometrie die Größe von Molekülen, die in die Poren der jeweiligen Zeolithe eindiffundieren können. Dies macht Zeolithe zu sehr selektiven Katalysatoren und effizienten Adsorbentien.

Nanoporöse funktionelle Feststoffe
Nanoporöse funktionelle Feststoffe

Nanoporöse funktionelle Feststoffe

Feststoffe mit geordneten Anordnungen von Mesoporen können durch sogenannte Templatierung erhalten werden. Dabei agieren verformbare (soft-templating) oder starre (hard-templating) Template als strukturdirigierende Einheiten. Typische Materialien, die durch „soft-templating“ erhalten werden sind MCM-41 oder SBA-15 Silica-Materialien. Bei diesen Feststoffen kondensiert Silica um hexagonal angeordnete Micellen  (Templat) aus amphiphilen Molekülen. Durch Ausbrennen der organischen Moleküle entstehen hexagonal angeordnete Mesoporen (2-50 nm). Wird nun in solchen Poren wiederum Kohlenstoff abgeschieden und anschließend das Silica aufgelöst, entstehen durch dieses „hard-templating“ je nach Abscheidungsmenge des Kohlenstoffs hexagonale Anordnungen von Kohlenstoff-Nanostäben oder Kohlenstoff-Nanoröhren. Das gezeigte Bild zeigt die Elektronendichteverteilung in solchen Anordnungen von hexagonal angeordneten Kohlenstoff-Nanoröhren (CMK-5). Die Elektronendichteverteilung wurde über inverse Fourier-Transformation aus Röntgenpulverdaten berechnet.

Adsorption und Diffusion in Nanoporösen Materialien
Adsorption und Diffusion in Nanoporösen Materialien

Adsorption und Diffusion in Nanoporösen Materialien

Adsorptions- und Diffusionsprozesse werden signifikant durch existierende Porensysteme beeinflusst. Die physikalische Adsorption an Feststoff-Oberflächen wird durch die Wechselwirkung von Molekülen in der Gasphase mit der gegebenen Oberfläche bestimmt. Sowohl die Porengeometrie eines Feststoffes als auch seine Oberflächeneigenschaften können in weiten Bereichen modifiziert werden, um adsorptive Eigenschaften gezielt einzustellen. Die Erzeugung eines hierarchischen Porensystems kann sehr vorteilhaft sein. So konnte gezeigt werden, dass die katalytischen Eigenschaften von porösen Feststoffen signifikant verbessert werden können. Grund dafür ist eine verbesserte Diffusion von Molekülen in solchen Porensystemen. Die Untersuchung adsorptiver und diffusiver Eigenschaften von Feststoffen ermöglicht ein besseres Verständnis der beteiligten Prozesse, was wiederum die Herstellung optimierter Materialien für katalytische und adsorptive Anwendungen erlaubt.

Feststoffe mit hohen Oberflächen
Feststoffe mit hohen Oberflächen

Feststoffe mit hohen Oberflächen

Materialien mit sehr großen Oberflächen dienen als Katalysatoren oder als Trägermaterialien für Katalysatoren. Sie werden typischerweise durch Fällungsreaktionen, Sol-Gel-Prozesse oder Flammenpyrolyse erhalten. Zu diesen Methoden bietet die Verwendung von Exotemplaten eine interessante Alternative. Dabei werden beispielsweise poröse Kohlenstoffmatrices als umhüllende Exotemplate („hard templates“) verwendet. So können beispielsweise die Poren einer Kohlenstoffmatrix mit einer geeigneten wässrigen Salzlösung gefüllt werden. Durch eine anschließende thermische Behandlung an Luft wird zunächst das Wasser verdampft, wobei sich Metallsalz-Partikel in den Poren bilden. Letztere werden beim weiteren Erhitzen zu Oxiden umgesetzt, deren Größe durch die Porendimensionen der Kohlenstoffe limitiert wird. Schließlich wird der Kohlenstoff durch Abbrennen an Luft entfernt, wodurch Metalloxide mit sehr hohen spezifischen Oberflächen erhalten werden. Die gebildeten Metalloxid-Aggregate spiegeln dabei die Struktur der Porensysteme wider oder fallen, je nach Befüllungsgrad der Poren, als feine Pulver an. Durch Verwendung von Kohlenstoff-Aerogelen als Template können so beispielsweise amorphe Aluminiumoxide mit spezifischen Oberflächen von 300 m2/g und Porenvolumen von mehr als 1.5 mL/g hergestellt werden.

Photokatalyse an Feststoff - Katalysatoren
Photokatalyse an Feststoff - Katalysatoren

Photokatalyse an Feststoff - Katalysatoren

Bestrahlung eines Halbleiter–Photokatalysators mit elektromagnetischer Strahlung (Licht geeigneter Wellenlänge) resultiert in der Anregung eines Elektrons aus einem Valenzband in das Leitungsband, wobei ein positiv geladenes „Loch“ im Valenzband erzeugt wird. Das Elektron kann auf einen Akzeptor übertragen werden, das Loch im Valenzband kann mit einem Elektron, das von einem Donor übertragen wird, rekombinieren. So können Redox-Reaktionen an Oberflächen von Halbleitern, wie beispielsweise TiO2 oder ZnO, katalysiert werden. Die Kombination von Halbleiter-Eigenschaften mit spezifischen räumlichen Begrenzungen in den Poren von nanoporösen Feststoffen erscheint als ein vielversprechender Ansatz, um die photokatalytischen Eigenschaften von Feststoffen gezielt zu modifizieren.

 

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