Micro-Imaging of Transient Concentration Profiles of Guest Mixtures in Zeolite Crystals

• Applicants: Professor Dr. Jürgen Haase; Professor Dr. Jörg Kärger
• Subject Area: Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry ; Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
• Term: from 2014 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 259001939

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Anliegen des Projektvorhabens war die Nutzung der – im Vergleich zum IR-Micro-Imaging – deutlich verbesserte Ortsauflösung beim Einsatz des Micro-Imaging durch Interferenzmikroskopie (IFM) bei der Beobachtung der Gemischadsorption. Abweichend zum IR-Micro-Imaging, bei dem nach dem Finger-Print-Prinzip die Konzentrationen unterschiedlicher Komponenten gleichzeitig bestimmt werden können, ist dies mittels IFM nur dann möglich, wenn sich die Diffusionskoeffizienten der beiden betrachteten Komponenten hinreichend deutlich unterscheiden. Diese theoretisch vorhergesagte Möglichkeit konnte nun im Experiment voll bestätigt werden. Herausragende Ergebnisse waren dabei die erste direkte, das heißt mikroskopische Beobachtung des Phänomens der „uphill-Diffusion“ (d.h. von Diffusionsströmen in Richtung wachsender – statt, wie bei der Einzelkomponentensorption ausschließlich – abnehmender Konzentration) und des „overshootings“ (d. h. von transienten Beladungen einer der beteiligten Komponenten deutlich über dem sich am Ende einstellenden Gleichgewichtswert). Es konnte zudem gezeigt werden, dass die experimentell beobachteten Abhängigkeiten dem theoretisch vorhersagbaren Verhalten in bemerkenswerter Genauigkeit folgen. Alexander Lauerer, der als Doktorand über dieses Projekt angestellt war, sind auch wichtige weitere Erkenntnisse zur Etablierung des Micro-Imaging in der Sorptions- und Katalyse-Forschung an nanoporösen Materialien zu danken, so z.B. zum Zusammenwirken von Micro-Imaging mit der NMR-Spektroskopie und zum Potential des Micro-Imaging zur Untersuchung katalytischer Prozesse am Einzelkristall.

Publications

• Diffusion of propene in DDR crystals studied by interference microscopy, Chem. Eng. Sci. 138 (2015) 110–117
  A. Lauerer, T. Binder, J. Haase, J. Kärger, and D.M. Ruthven
  
• Microimaging of Transient Intracrystalline Concentration Profiles during Two-Component Uptake of Light Hydrocarbon–Carbon Dioxide Mixtures by DDR-Type Zeolites, Ind. Eng. Chem. Res. 54 (2015) 8997–9004
  T. Binder, A. Lauerer, C. Chmelik, J. Haase, J. Kärger, and D.M. Ruthven
  
• The role of crystal diversity in understanding mass transfer in nanoporous materials, Nat. Mater. 15 (2015) 401–406
  J.C.S. Remi, A. Lauerer, C. Chmelik, I. Vandendael, H. Terryn, G.V. Baron, Denayer, Joeri F. M., and J. Kärger
  
• Transport in Nanoporous Materials Including MOFs: The Applicability of Fick’s Laws, Angew. Chem. Int. Ed. 54 (2015) 14580–14583
  T. Titze, A. Lauerer, L. Heinke, C. Chmelik, N.E.R. Zimmermann, F.J. Keil, D.M. Ruthven, and J. Kärger
  
• Uphill diffusion and overshooting in the adsorption of binary mixtures in nanoporous solids, Nat. Comms. 6 (2015) 7697
  A. Lauerer, T. Binder, C. Chmelik, E. Miersemann, J. Haase, D.M. Ruthven, and J. Kärger
  
• Scale-dependent diffusion anisotropy in nanoporous silicon, Scientific reports 7 (2017) 40207
  D. Kondrashova, A. Lauerer, D. Mehlhorn, H. Jobic, A. Feldhoff, M. Thommes, D. Chakraborty, C. Gommes, J. Zecevic, P. de Jongh, A. Bunde, J. Kärger, and R. Valiullin
  
• Tracing compartment exchange by NMR diffusometry: Water in lithium-exchanged low-silica X zeolites, J. Magn. Reson. 289 (2018) 1–11
  A. Lauerer, R. Kurzhals, H. Toufar, D. Freude, and J. Kärger