SPP 1570:  Poröse Medien mit definierter Porenstruktur in der Verfahrenstechnik - Modellierung, Anwendungen, Synthese

• Fachliche Zuordnung: Wärmetechnik/Verfahrenstechnik ; Chemie ; Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172559843

Poröse Medien sind in der Verfahrenstechnik allgegenwärtig, z.B. als Katalysatorträger, Adsorbentien, Isoliermaterial, Membranen oder in Chromatografiesäulen. Aus Simulationen ist wohlbekannt, dass die Eigenschaften der Materialien durch Optimierung der Porenstruktur entsprechend gegebener Kriterien deutlich verbessert werden können. Erst in den letzten Jahren wurde durch neue Synthesemethoden eine gezielte Herstellung definierter Porenstrukturen möglich. Durch Zusammenarbeit zwischen Verfahrenstechnikern und Chemikern sollen die neuen Möglichkeiten für die Verfahrenstechnik genutzt werden. Die für die jeweiligen Anwendungen optimal geeigneten porösen Medien sollen in enger Zusammenarbeit mit auf den jeweiligen Gebieten arbeitenden Synthesechemikern hergestellt und getestet werden. Im Detail sollen folgende Ziele erreicht werden: (1) Porenmodelle sollen erstellt werden, die vertiefte Einsichten in Vorgänge innerhalb der Poren liefern. Dies können z.B. Netzwerkmodelle, aus Röntgendaten revers rekonstruierte Strukturen (z.B. für amorphe Medien) oder auch wohldefinierte kristalline Strukturen auf der Basis kristallografischer Daten sein.
(2) Die Transportvorgänge in den Poren sollen durch geeignete Multikomponentendiffusionsmodelle, Wärmeleitungsgleichungen und/oder molekulare Methoden (Monte Carlo, Molekulardynamik, Dichtefunktionaltheorie) beschrieben werden. Die sich daraus ergebenden Resultate werden für die Lösung von Optimierungsproblemen genutzt.
(3) Die Porenstrukturen sollen hinsichtlich der für die jeweiligen Anwendungen relevanten Kriterien optimiert werden.
(4) Die optimalen Porenstrukturen sollen in enger Zusammenarbeit mit einschlägig bekannten Synthesechemikern hergestellt werden.
(5) Neue hochauflösende bildgebende Verfahren (Magnetic Resonance Imaging) sollen, insbesondere für Trocknungsvorgänge und Dreiphasenreaktionen, die Flüssigkeitsverteilung in den Poren unmittelbar sichtbar machen.
(6) Die hergestellten porösen Medien sollen dann in den jeweiligen verfahrenstechnischen Anwendungen eingesetzt werden und ihre verbesserten Eigenschaften im Experiment beweisen. Einige Anwendungen sollen durch neue Synthesemöglichkeiten erst wirtschaftlich zugänglich werden (z.B. großtechnische Anwendung von Mikroreaktoren).
(7) Als Gesamtziel wird ein rationales Design der Porenstruktur mit detaillierter Einsicht in die molekularen Vorgänge in den Poren, gefolgt von einer gezielten Synthese der optimalen Porenstruktur angestrebt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Österreich, Russische Föderation, Schweiz

Projekte

• Ab initio-Simulation von Isothermen für die Adsorption von Gasen aus Mischungen in metall-organischen Gerüstverbindungen (Antragsteller Sauer, Joachim )
• Adsorbenssynthese und Mehrskalenmodellierung von CO2-Einfang/Adsorbent Synthesis and Multi-scale Modeling of Carbon Capture (Antragsteller Keil, Frerich ;  Smit, Berend )
• Adsorptiv-Fällung von polaren organischen Substanzen in biopolymerbasierten Aerogelen aus ternären überkritischen Gemischen (Antragstellerin Smirnova, Irina )
• Auswirkungen der Porenstruktur auf die membrangestützte Separation von Komponenten aus Erdgas und Erdölbegleitgas (Antragsteller Paschek, Dietmar ;  Wohlrab, Sebastian )
• Bifunktionelle hierarchisch aufgebaute poröse Schichtsysteme für effiziente einstufige Umwandlungen von Synthesegas zu Treibstoffen in Mikrostrukturreaktoren (Antragsteller Dittmeyer, Roland ;  Schwieger, Wilhelm )
• CO2 Adsorption und Abtrennung in hierarchisch organisierten chemisch funktionalisierten Materialien (Antragsteller Lercher, Johannes A. )
• Entwicklung mikro/makroporöser kugelförmiger Adsorbentien zur Adsorption verschiedener Inhalationsanästhetika (Antragsteller Bathen, Dieter ;  Enke, Dirk ;  Fröba, Michael )
• Geordnete Kohlenstoffnanoröhren als poröse Materialien für die selektive Gasadsorption und Desorption (Antragsteller Müller-Plathe, Florian ;  Schneider, Jörg J. )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Keil, Frerich )
• Nanoporöse Hohlkugeln zur Herstellung enantiomerenreiner Wirkstoffe und deren direkte Überführung in funktionsoptimierte Darreichungsformen (Antragstellerinnen / Antragsteller Feldmann, Claus ;  Johannsen, Monika ;  Staudt, Reiner ;  Türk, Michael )
• Neue nanoporöse Materialien mit optimierter Porenstruktur in der Olefin/ Paraffin-Trennung durch Adsorption: Experimentelle und modellbasierte Bewertung (Antragsteller Hartmann, Martin ;  Kaspereit, Malte )
• Quantitative 3D-Analysen realer Porenstrukturen mittels fortgeschrittener Verfahren der Elektronentomographie (Antragsteller Spiecker, Erdmann )
• Synthese hochporöser monolithischer Materialien mit einer definierten multimodalen Porengrößenverteilung (Antragstellerin Hüsing, Nicola )
• Trennung von Gemischen chiraler anästhetischer Gase durch modifizierte poröse Gläser (Antragsteller Seidel-Morgenstern, Andreas )
• Verbesserung des diffusiven Stofftransports in hierarchisch aufgebauten Fischer-Tropsch-Katalysatoren (Antragsteller Brenner, Gunther ;  Turek, Thomas ;  Weber, Alfred )
• Wechselwirkung mit Oberflächen und Dynamik von molekularen Spinsonden als Gäste in maßgeschneiderten Organosilikaten als poröse Wirtsmaterialien für die Chromatographie. (Antragsteller Polarz, Sebastian )

• Sprecher: Professor Dr. Frerich Keil