Katalysatoren und Stofftrennungssysteme

Auf die Löcher kommt es an

Poröse Katalysator-Materialien verlieren ihre gleichmäßige Struktur, wenn ihre Porengröße zu klein ist. Das hat ein wissenschaftliches Team der Forschungsallianz der Universitäten Gießen und Marburg sowie des Karlsruher Instituts für Technologie durch ein neues Verfahren festgestellt, das der räumlichen Charakterisierung poröser Materialien dient. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können die Herstellung von Katalysatoren und Stofftrennungssystemen verbessern, hoffen die Forscher.

Mikroskopische Aufnahmen eines Kieselgel-Monoliths in zunehmender Vergrößerung zeigen die poröse Struktur des Materials. (Bild: Autoren)

„Materialien mit ungeordneten Porenräumen stehen im Mittelpunkt vieler technischer Prozesse von großer wirtschaftlicher Bedeutung“, erklärt Prof. Dr. Ulrich Tallarek von der Philipps-Universität, Koautor der aktuellen Studie. Beispiele für die Verwendung solcher Materialien sind Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, sowie Verfahren wie die Chromatografie, mit der Stoffe aufgetrennt werden können.

Um Materialien mit den gewünschten Eigenschaften so ressourcenschonend wie möglich herstellen zu können, muss man wissen, wie die Form der Hohlräume den Stofftransport beeinflusst. „Man weiß noch kaum, wie bestimmte Parameter der Produktion sich auf die Eigenschaften des Materials auswirken“, erläutert Mitverfasser Prof. Dr. Bernd Smarsly von der Justus-Liebig-Universität Gießen. „Bislang waren morphologische Informationen für solche Materialien nur indirekt zugänglich. Dabei wurden Stofftransportdaten mithilfe einfacher Porenraum-Modelle morphologisch interpretiert; die Unzulänglichkeit der bestehenden Modelle ist schon lange bekannt.“

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Die Arbeitsgruppen aus Marburg und Gießen haben nun gemeinsam mit dem Chemiker Dr. Christian Kübel aus Karlsruhe ein alternatives Verfahren zur Charakterisierung ungeordneter Porenräume vorgestellt – das Team verwendete Kieselgel-Monolithe als Modell, welche bereits intensiv in der Analytik eingesetzt werden. „Ein Ionenstrahl entfernt Schicht für Schicht des Materials von der Probe, und das Rasterelektronenmikroskop tastet jede frisch geschaffene Oberfläche ab“, schildert der Marburger Hochschullehrer die Methode.

Die aufgenommenen Bilder wurden zu einem Stapel zusammengesetzt. Zur Beschreibungen von Geometrie und Topologie des rekonstruierten Porenraums verwendeten die Wissenschaftler statistische Methoden, die sich auch auf andere poröse Materialien anwenden lassen. „Die Rekonstruktion zeigt, wie der ungeordnete Porenraum tatsächlich aussieht, und ermöglicht eine direkte und exakte Bestimmung seiner Eigenschaften“, hebt Tallarek hervor.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass die Gleichmäßigkeit des Materials leidet, wenn die Hohlräume zu klein geraten. Womöglich rührt das daher, dass die Struktur während des Herstellungsprozesses zu früh fixiert wird. Das Team hofft, dass seine neuen Erkenntnisse zu verbesserten Produktionsbedingungen beitragen, die zu den jeweils gewünschten Materialeigenschaften führen. Insbesondere könnten mit Hilfe dieser Methodik technische Katalysatoren und Batterieelektroden optimiert werden.

Die Forscher sind optimistisch, dass die synergistische Kooperation hinsichtlich Synthese und Charakterisierung zu weiteren hochkarätigen gemeinsamen Ergebnissen führen wird: „Die räumliche Nähe und die komplementäre Expertise der materialwissenschaftlichen Forschung in Marburg und Gießen sind sehr gute Voraussetzungen für Forschung auf hohem Niveau“, heben die beiden Professoren hervor.

Die Arbeit an der aktuellen Publikation wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft finanziell gefördert.

Originalveröffentlichung:
Daniela Stoeckel & al.: Morphological analysis of physically reconstructed silica monoliths with submicrometer macropores: Effect of decreasing domain size on structural homogeneity, Langmuir 2015, DOI: 10.1021/la5046018, URL: http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/la5046018.

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