Untersuchungen zur Synthese von hexagonalem meso-/makroporösem Bornitrid (h-BN) mit hoher chemisch-thermischer Stabilität sowie dessen Anwendung in der Adsorption
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Vorhabens war es, ein neuartiges Adsorbens auf der Basis von Bornitrid zu synthetisieren, die Zusammenhänge zwischen Synthesebedingungen und anwendungsspezifischen Eigenschaften zu verstehen und die Eigenschaften dieses Adsorbens in Adsorptionsprozessen unter schwierigen Bedingungen zu messen. Hierzu wurde systematisch der Einfluss der Precursoren, deren Verhältnis und die Reaktionsbedingungen Vorbehandlung, Temperatur und Zeit der Thermobehandlung speziell auf die Mesoporosität der resultierenden hierarchisch strukturierten porösen Bornitride mit turbostratischer (t-BN) bzw. amorpher (a-BN) Struktur untersucht. Darauf aufbauend erfolgte die Überführung der Materialien in chemisch und thermisch stabiles meso- bzw. meso-/makroporöses hexagonales Bornitrid (h-BN) durch eine Pyrolyse bei Temperaturen bis 1300°C. Die mesoporösen h-BN Materialien weisen innere Oberflächen zwischen etwa 200 und 350 m2 g-1 auf. Mittels XPS konnte nachgewiesen werden, dass alle Proben eine hohe Reinheit mit einem Bor zu Stickstoff Verhältnis von nahezu 1:1 aufwiesen. Je nach Synthese, schwanken Verunreinigungen mit Boroxid um 3 - 5 At.-% und Kohlenstoff um 2 - 3 At.-%. XRD Messungen ergaben für überwiegend mesoporöse Proben schmalere Reflexhalbwertsbreiten und damit einhergehend höhere Kristallinitäten als für die mikro-/mesoporöse Bornitride. Die chemische Stabilität sowie die Beständigkeit gegenüber Luft, Wasserdampf und Wasser der h-BN Materialien ist im Vergleich zu den t-BN und a-BN Materialien deutlich gesteigert. Es konnte nachgewiesen werden, dass die höhere Kristallinät für die höhere Stabilität ausschlaggebend ist. Durch ein zusätzliches postsynthetisches Leachen mit Salzsäure kann die Menge an nichtabreagierten Edukten verringert und eine weitere Zunahme der Beständigkeit erreicht werden. Durch thermogravimetrische Analysen unter Stickstoff und Luft konnte anhand der Spontaneous Ignition Temperature (SIT) und des Point of Initial Oxidation (PIO) eine deutlich verbesserte thermische Stabilität der Bornitride im Vergleich zu konventionellen Aktivkohlen nachgewiesen werden. Hinsichtlich der adsorptiven Eigenschaften ist eine höhere Affinität für polare im Vergleich zu aromatischen und unpolaren Adsorptiven festzustellen. Werden die Beladungen auf die Größe der BET-Oberfläche normiert, zeigen sich für polare Adsorptive an den Bornitriden höhere Kapaziäten als an den kommerziellen steinkohlebasierten Aktivkohlen C40 und D47, während aromatische Adsorptive vergleichbare und unpolare Adsorptive geringere Kapazitäten an den Bornitriden zeigen. Die anhand der Adsorptionsdaten vermutete hohe Oberflächenpolarität der Bornitride konnte anhand von Adsorptionswärmen, die mittels adsorptionskalorimetrischen Messungen an den Bornitriden und Aktivkohlen ermittelt wurden, bestätigt werden. Die hohen Adsorptionskapazitäten für Aceton in Verbindung mit höheren Werten für SIT und POI lassen eine gute Eignung der Bornitride für herausfordernde Anwendungen wie die Keton- oder Aledhydadsorption aus Luft, bei der Aktivkohlen zu Adsorberbränden neigen, erwarten. Bei den Arbeiten zur Formgebung konnte abschließend gezeigt werden, dass die ionotrope Gelierung zu einer Zerstörung der Porosität führt, während beim Verpressen die BET-Oberfläche lediglich um 20 % abnimmt. Obwohl die mechanische Bruchfestigkeit der verpressten Formkörper geringer als bei herkömmlichen Aktivkohlen ist, sind die gepressten Formkörper prinzipiell für die Adsorption in Festbetten geeignet, sodass ein Einsatz in industriellen Adsorptionsprozessen möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mesoporous boron nitride in contact with water - Chemical stability and adsorption properties. Results in Materials, 16, 100338.
Hojak, Jan; Jähnichen, Tim; Bläker, Christian; Pasel, Christoph; Mauer, Volker; Rasmussen, Leon; Denecke, Reinhard; Enke, Dirk & Bathen, Dieter
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Synthesis of Turbostratic Boron Nitride: Effect of Urea Decomposition. ACS Omega, 7(37), 33375-33384.
Jähnichen, Tim; Hojak, Jan; Bläker, Christian; Pasel, Christoph; Mauer, Volker; Zittel, Valeria; Denecke, Reinhard; Bathen, Dieter & Enke, Dirk
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Template-free synthesis of water-vapor stable porous 3D boron nitride. Next Materials, 1(4), 100047.
Jähnichen, Tim; Gehrke, Laura; Rasmussen, Leon; Bläker, Christian; Pasel, Christoph; Denecke, Reinhard; Bathen, Dieter & Enke, Dirk
