Poröse Materialien
Poröse Materialien
Poröse Materialien werden in mikro-, meso- und makroporöse Stoffe eingeteilt. Mesoporöse Materialien weisen laut IUPAC Porendurchmesser von 2 bis 50 nm auf und sind damit von den mikroporösen Materialien und deren wohl bekanntesten Vertretern, den Zeolithen (Porendurchmesser < 2 nm) abgegrenzt. In Tab. 1 sind die Größendefinitionen sowie einige Materialbeispiele verschiedener Porositäten aufgeführt.
Mesoporöse Materialien können spezifische Oberflächen von über 1000 m²/g aufweisen. Ihre Porenkanäle sind meist langgezogen und unterliegen einer hohen Fernordnung. Die Porenwände bestehen oft aus amorphem SiO2 oder ähnlichen anorganischen Oxiden. Bekannte mesoporöse Silica (SMMs) sind MCM-41 und SBA-15, die beide der Familie der M41S-Materialien angehören. Ihre Synthese gelingt durch so genannte Templatverfahren, bei denen das SiO2-Gerüst um ein struktur-dirigierendes Tensid aufgebaut wird. In der Aufnahme unter dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) in Abbildung 1 ist die hexagonale Anordnung der Porenkanäle in SBA-15 ersichtlich. Charakteristisch für solche mesoporösen Materialien sind zudem Stickstoffadsorptionsisothermen mit so genannten Hysteresen (Abb. 2). Dies verdeutlicht die hohen spezifischen Oberflächen und das besondere Adsorptionsvermögen dieser Materialien.
Anwendungen für M41S-Materialien wurden erst im Laufe der letzten Jahre entwickelt und ergänzen in vielen Bereichen die mikroporösen Zeolithmaterialien. Metalldotiertes MCM-41 kann beispielsweise als Katalysator für die Olefinepoxidierung oder beim Hydrocracken großer Moleküle eingesetzt werden. In die Poren dieses Materials können auch größere Moleküle problemlos eindiffundieren und dort zur Reaktion gebracht werden. Zudem besitzt MCM-41 eine hohe spezifische Oberfläche, was für den Einsatz als Katalysator sehr vorteilhaft ist.
Weiterhin wichtig ist die Nutzung von mesoprösen Materialien als anorganische Template zur Synthese poröser, organischer Strukturen (Nanocasting). Dazu werden v.a. Materialien mit untereinander verbundenen Poren, wie z.B. SBA-15, verwendet, da diese eine dreidimensionale Vernetzung des Wirtsnetzwerkes erlauben. So kann mit Hilfe von SBA-15 und einer Kohlenstoffquelle, wie z.B. Zucker oder Acetylen, mesoporöser Kohlenstoff hergestellt werden. Diese Materialien können beispielsweise als Elektrodenmaterial in Brennstoffzellen eingesetzt werden.
Schließlich kann man mesoporöse Materialien auch als Adsorbentien für die selektive Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten verwenden. So kann z.B. die Kapazität von Druckgasflaschen durch die Erhöhung der Dichte eines eingelagerten Gases um bis zu 75 % gesteigert werden.
Bei SMMs („silica mesoporous Material“) ist die Einstellung der Porenverteilung, -größe und -form genauso leicht möglich, wie eine nachträgliche oder in-situ vorgenommene Modifizierung der Silicaoberfläche. Dabei können bestimmte organische, funktionelle Gruppen in oder an die Porenoberfläche befestigt werden, was einen großen Einfluss auf die besondere Adsorptionsfähigkeit der Materialien haben kann. So kann ein SMM je nach Porenstruktur und Modifizierung der Porenoberfläche eine Vielzahl an kleineren Molekülen speichern und - falls gewünscht - über einstellbare Kinetiken wieder abgeben.
Im Arbeitskreis von Prof. Sextl werden meso- und mikroporöse Systeme synthetisiert und modifiziert um sie in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ISC für neue Anwendungsgebiete zurecht zu legen. Dabei steht zurzeit vor Allem die Nutzbarmachung von SMMs als besondere Speichersysteme im Vordergrund. Auch die Charakterisierung poröser Systeme zum Beispiel via Stickstoff-Adsorption und anderen speziellen Analysetechniken wird hier betrieben.
Publikationen
Pietschmann, B.; Weiß, M.; Selvam, T.;Sextl, G.: Immobilization of ionic liquids within micro- and mesoporous materials. Studies in Surface Science and Catalysis (2008), 174A (Zeolites and Related Materials), 325-328.
