Poröse, elektrogesponnene Fasermatten mit hoher Protonenleitfähigkeit für Kompositmembranen
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurden geordnet-mesoporöse Silica Nanopartikel mit verschiedenen Funktionalitäten für Protonenleitung modifiziert, und sowohl temperaturabhängig als auch Luftfeuchte-abhängig untersucht. Insbesondere Sulfonsäure-Gruppen (SO3H), Imidazol und Benzimidazol-Gruppen wurden dafür verwendet. Sowohl unmodifizierte als auch funktionalisierte geordnet-mesoporöse Silica Nanopartikel wurden mittels Elektrospinnen in faserförmige Membranen verarbeitet. Außerdem wurden sowohl mit Silica Nanopartikeln als auch Silica Fasermatten Komposite mit protonenleitendem NafionTM untersucht. Sowohl unporöse Silica-Nanopartikel als auch geordnet-mesoporöse Silica Nanopartikel mit MCM-41 und MCM-48 Porenstruktur wurden erfolgreich hergestellt. Insbesondere für MCM-48 Nanopartikel wurden detaillierte Untersuchungen zur Funktionalisierung mit propyl-SO3H Gruppen durchgeführt, da diese noch nicht literaturbekannt waren. Hier konnte erfolgreich ein homogener Funktionalisierungsgrad erreicht werden, und außerdem Protonenleitfähigkeiten im Bereich bekannter sulfonierter MCM-41 Nanopartikel erreicht werden. Funktionalisierungen mit SH-Gruppen vor Oxidation wurde über ein von der AG Marschall entwickeltes CVD-ähnliches Verfahren getätigt, die sich insbesondere für die Fasermatten später als besonders geeignet erweisen sollte. Es zeigte sich allerdings, dass SO3H-funktionalisierte mesoporöse Nanopartikel sich leider nicht zum Elektrospinnen eigneten. Dahingegen werden aus unfunktionalisierten mesoporösen Silica Nanopartikeln mit MCM-41 und MCM- 48 homogene partikuläre Nanofasern mittel Elektrospinnen erhalten. Diese wiederum ließen sich mit unserer CVD-ähnlichen Methode mit Thiol-Gruppen (SH) funktionalisieren und anschließend zu SO3H-Gruppen oxidieren, ohne dass die Faserstruktur beeinflusst wurde. Somit konnten vergleichende Protonenleitungen verpresster Partikel gegenüber elektrogesponnenen Fasermatten durchgeführt werden. Der Höchstwert von 4,4*10-2 S*cm-1 wird von den sulfonierten MCM-48-basierten Nanofasern bei 140 °C und 100 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) erreicht. Die Fähigkeit zur Protonenleitung funktionalisierter Nanopartikel wird nicht durch die Verarbeitung in Nanofasern beeinträchtigt. Des Weiteren wurden Propyltrimethoxysilane mit Imidazol und Benzimidazol-Gruppen in Zusammenarbeit mit der AG Breuning (Universität Bayreuth) hergestellt, und auf mesoporöse Silica Partikel funktionalisiert. Neben einer Kettenlängenvariation wurde außerdem eine zusätzliche zweite Modifikation mit SO3H- Gruppen erfolgreich durchgeführt. Die Oxidation von SH zu SO3H-Gruppen beeinflusst die zuvor verankerten Imidazole nicht. Die doppelte Funktionalisierung von mesoporösen Silica ist also möglich, die Beladung der Poren mit großem Benzimidazol kann aber durch die Porengröße beeinflusst sein. Kompositmembranen der protonenleitenden Silica-Materialien mit NafionTM als protonenleitendes Polymer zeigten unterschiedliche Ergebnisse. Während die Nanopartikel-basierten Systeme stark agglomerieren und ihre Verteilung noch verbessert werden muss, stellte sich die Infiltration der protonenleitenden Silica- Fasermatten mit Polymer als sehr schwierig heraus. Hier muss in folgenden Studien die Infiltration noch optimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sulfonation of porous materials and their proton conductivity. Microporous and Mesoporous Materials, 312, 110745.
Furtmair, Michael; Timm, Jana & Marschall, Roland
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Assembly of Tailored Porous Nanofibers from Mesoporous MCM‐41 Nanoparticles via Electrospinning. ChemNanoMat, 9(9).
Timm, Jana; Furtmair, Michael & Marschall, Roland
