Synthese von zweidimensionalen Polymeren als ultradünne Membranen zur molekularen Stofftrennung

• Antragsteller: Professor Dr. Armin Gölzhäuser
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448624984

Mikro- und nanoporöse Materialien wirken als selektive Barrieren und spielen eine wichtige Rolle als energieeffiziente Gas- und Flüssigkeitstrennmembranen in industriellen Prozessen und Umwelttechnologien. Die Herausforderung bei der Entwicklung neuer Membranmaterialien liegt darin, einen hohen Durchfluss sowie eine hohe Selektivität bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität zu erreichen. Da der Fluss durch eine Membran umgekehrt proportional zur Dicke der selektiven Schicht ist, wären robuste zweidimensionale (2D) „Blätter“ mit Dicken von einem bis wenigen Atomen oder Molekülen hervorragende Materialien für ultradünne Hochleistungsmembranen. Die meisten stabilen 2D Materialien besitzen jedoch keine Poren mit exakt definierten Abmessungen, und es ist eine große Herausforderung, homoporöse Membranen (poröse Filme mit gleichmäßigen, an beiden Enden offenen Poren) mit Durchmessern unter 3 nm und einer Dicke von weniger als 50 nm zu entwickeln. Im vorgeschlagenen Projekt werden Membranen mit Porengrößen zwischen 0,25 nm und 2,6 nm aus freistehenden 2D-Polymeren hergestellt. Es soll untersucht werden, wie stabil und flexibel sie sind und ob Moleküle und Atome durch sie hindurch transloziert werden können. Das Projekt zielt darauf ab, vielseitige und zuverlässige Grenzflächensynthesemethoden (Gas-Wasser-, Tensid-Wasser- und Flüssig-Flüssig-Grenzflächen) für 2D-Polymere mit wohldefinierten Poren in der Ebene (Größe, Form, Porendichte und funktionelle Gruppe an der Peripherie der Poren) zu etablieren, die bei Bedarf auf molekularer Ebene rational gestaltet werden können. Im Rahmen des Projekts werden makroskopisch große 2D-Polymerkristalle mit kontrollierten Dicken hergestellt. Sowohl in-situ (Weitwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall) als auch ex-situ (STM, TEM) Techniken werden eingesetzt, um die Mikrostruktur der Vorläufer, Modellmonomere, Reaktionszwischenprodukte an der Grenzfläche, Modellverbindungen und 2D-Polymerkristalle aufzuklären. Basierend auf experimentellen Ergebnissen und Simulationen werden Korrelationen zwischen den Strukturen von Ausgangs- und Endprodukten analysiert, um den Reaktionsmechanismus für die Bildung von 2D-Polymeren abzuleiten. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Monomerstruktur, Polymerisationsgrad, Domänengröße, Korngrenzen, Randstrukturen, Porenstruktur und Dicke auf die Permeanz und Selektivität der 2D-Polymerkristalle untersucht. Die Schlüsselfunktionen für den Betrieb von 2D-Polymermembranen als Molekularsiebe werden untersucht. Als Schlüsselergebnisse erwarten die Antragsteller zuverlässige Grenzflächensynthesemethoden, die Beschreibung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und eine überlegene Trennleistung. Im vorgeschlagenen Projekt bündeln die Gruppen ihre Expertise in 2D-Materialien, Polymerchemie, Nanostrukturherstellung und Membranwissenschaft, um zu erforschen, wie freistehende homoporöse 2D-Polymere hergestellt werden können und welche Struktur-Eigenschafts-Beziehungen sie aufweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Zhikun Zheng