Gastrennung in mikroporösen Materialien: Eine computergestützte Untersuchung des Einflusses struktureller Faktoren auf die Selektivität

• Antragsteller: Dr. Michael Fischer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 214172356

In diesem Projekt werden Methoden aus der Computer-Chemie verwendet, um das Potential verschiedener mikroporöser Materialien (Zeolithe, metallorganische Gerüstverbindungen, nanoporöse Molekülkristalle) für Anwendungen in der adsorptiven Gastrennung zu untersuchen. Ein besonderes Augenmerk wird hierbei auf eine detaillierte Analyse der Rolle spezifischer Wechselwirkungspositionen (z.B. Kationen, koordinativ ungesättigte Metallzentren, funktionelle Gruppen) im Zusammenspiel mit der räumlichen Begrenztheit durch Mikroporen gelegt. Die Untersuchung berücksichtigt verschiedene Gasmischungen, die in industriellen Anwendungen von Bedeutung sind, beispielsweise in der Entfernung von Kohlenstoffdioxid aus Abgasen oder Erdgas sowie in der Trennung von Alkan/Alken-Gemischen.Das Projekt folgt einem hierarchischen Ansatz: Zunächst werden für eine große Anzahl unterschiedlicher Materialien großkanonische Monte-Carlo-Simulationen (GCMC-Simulationen) mit empirischen Wechselwirkungsparametern durchgeführt, welche eine erste Abschätzung der Adsorptionsselektivität liefern. Für die als interessant identifizierten Systeme werden dann weitere GCMC-Simulationen zur detaillierteren Untersuchung der Trenneigenschaften durchgeführt. Die Zusammenhänge zwischen den Trenneigenschaften und den strukturellen Eigenschaften des Materials (spezifische Wechselwirkungspositionen, Porengröße, Porentopologie) werden im Einzelnen analysiert. Im Folgenden werden quantenchemische Rechnungen genutzt, um ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen spezifischen Positionen und adsorbierten Molekülen zu entwickeln. Um den Einfluss dieser Regionen auf die Diffusion von Gastmolekülen zu untersuchen, werden außerdem Moleküldynamik-Rechnungen durchgeführt. Im letzten Teil des Projekts werden die Adsorptionseigenschaften „hypothetischer Zeolithe“ vorhergesagt. Wegen ihrer strukturellen Vielfalt eignen sich diese Systeme besonders für eine systematische Untersuchung des Einflusses der Porentopologie.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Dr. Robert G. Bell