Microimaging der Diffusion und Reaktion von Gastmolekülen in MFI-Zeolithkristallen

• Antragsteller: Professor Dr. Roger Gläser; Professor Dr. Jürgen Haase
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437340252

Der Produktausstoß bei Wertsteigerung durch Stoffwandlung und –trennung mittels nanoporöser Materialien kann nie schneller sein, als die Geschwindigkeit des Stofftransports aus dem Materialinneren in den Außenraum erlaubt. Neben seiner Bedeutung für die Grundlagenforschung zählt damit die Geschwindigkeit des Stofftransfers in diesen Materialien zu den Kenngrößen, die über ihre technische Nutzanwendung entscheiden. Über Jahrzehnte wurde Information hierzu lediglich in „makroskopischen“ Messungen der Geschwindigkeit von Ad- und Desorption in Kristallschüttungen oder Pellets gewonnen. Jede Aussage über Elementarprozesse des Stofftransports beruhte daher auf Modellannahmen, die sich oft als falsch erwiesen. Der Nachweis dieser Unstimmigkeiten ist der Verfügbarkeit und dem Einsatz mikroskopischer Diffusionsmesstechniken zu danken, nämlich der gepulsten Feldgradienten(PFG)-Technik der NMR und der Mikrobildgebung durch IR- und Interferenzmikroskopie, durch die in vielen Fällen Diskrepanzen um Größenordnungen entdeckt wurden und die so zu einem Paradigmenwechsel in unserer Kenntnis vom Stofftransport in solchen Materialien führten.Während diese mikroskopischen Diffusionstechniken bisher bei ganz unterschiedlichen nanoporösen Wirt-Gast-Systemen zum Einsatz kamen, und zwar jeweils mit dem Ziel des Nachweises einer besonderen Aussagemöglichkeit und damit ihrer großen Leistungsfähigkeit ganz allgemein, soll dieses besondere Potential nun gezielt mit ihrer konzertierten Anwendung auf MFI-Zeolithe nachgewiesen werden. Materialien dieser Art sind Schlüsselsysteme in der Zeolithkatalyse und angesichts der Komplexität ihrer Porenstruktur zugleich eine Herausforderung bei der Ergründung der elementaren Transportprozesse. Die Komplementarität beider Techniken wird dabei von besonderem Vorteil sein. Diese ergibt sich aus dem Potential der NMR, Reaktanden sowie Zwischen- und Endprodukte während der Reaktion und (mittels PFG NMR) die Wahrscheinlichkeitsverteilung ihrer Verschiebungen (eingeschlossen die Diffusion über kurze und lange Wegstrecken) zu erfassen, und dem der Mikrobildgebung, transiente Konzentrationsprofile (und damit auch intrakristalline Flüsse) aufzuzeichnen. Auch als mikroskopische Methoden liefern diese Techniken – dank einer Beobachtung von größenordnungsmäßig 1010 Molekülen – Daten von hoher statistischer Relevanz.Neue Erkenntnisse auf dem Gebiet des Massentransports erschließen sich mit der Untersuchung der intrakristallinen Flüsse von Gastmolekülen und deren wechselseitiger Beeinflussung bei Mehrkomponentenadsorption sowie mit deren Modifikation unter dem Einfluss von Mesoporen und von Oberflächenbarrieren und in Kompositmaterialien (Mixed-Matrix-Membranen). Phänomene der Umwandlung sollen sowohl beim Wirtsgitter (als Folge der Gastmoleküle) als auch in der Gastphase (unter dem Einfluss des Wirtsgitters) untersucht werden, wobei erstmalig Aussagen zu deren räumlicher Verteilung im Kristall und deren zeitlicher Variabilität erwartet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Ungarn, USA
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Zoltan Erdelyi; Privatdozent Dr. David Farrusseng; Privatdozentin Dr. Svetlana Mintova; Professor Dr. Randall Q. Snurr; Dr. Alain Tuel