Hochgeordnete, elektrisch modulierbare, leitfähige mesoporöse Trennschichten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Annette Andrieu-Brunsen
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509491635

Theoretische Arbeiten zeigen das Potenzial von transienten Trennkonzepten zur Erhöhung der Selektivität und zur Verringerung des Energieverbrauchs bei der membranbasierten Trennung. Im Teilprojekt A3 wird eine spezifische Konfiguration des Leitexperiments "Elektrisch modulierbare Nanoporen" etabliert. Es wird die Möglichkeit einer verbesserten Trennleistung durch den Einsatz leitfähiger, kontinuierlich schaltender, strukturell stabiler, asymmetrischer Mesoporen untersucht. Durch Anlegen eines kontinuierlich oszillierenden Potentials an eine leitfähige und asymmetrisch gestaltete mesoporöse Schicht soll die Wandladung der Mesoporen und damit der ionische Porentransport zeitlich gesteuert werden. Es wird erwartet, dass dieser Effekt durch die Verwendung einer redox-responsiven Porenwandchemie weiter optimiert werden kann. Bislang gibt es verschiedene Studien zu funktionalisierten Mesoporen mit Gates/reagierenden (Polymeren) und deren Ionentransportschaltung. In den meisten Fällen ist der Durchgang langsam und liegt im Bereich von Sekunden bis Minuten. Dies ist hauptsächlich auf die verwendeten responsiven Polymere zurückzuführen. Bei der Verwendung leitfähiger Nanoporen wird erwartet, dass die Schaltung ausreichend schnell ist. Leitfähige mesoporöse Schichten aus Indiumzinnoxid (ITO) stellen einen vielversprechenden Weg zu leitfähigen Nanoporen dar. Um ein kontinuierliches schnelles Schalten auf der Zeitskala des ionischen Massentransports, und damit einen transienten Massentransport durch leitfähige Nanoporen zu realisieren, besteht das erste Ziel in der Herstellung und Optimierung leitfähiger mesoporöser ITO-Schichten und ihrer Funktionalisierung im Hinblick auf Porenstruktur, Leitfähigkeit und Porenwandladung. Als zweites Ziel sollen die Transporteigenschaften in Abhängigkeit von Prozessparametern, wie z.B. der Schaltfrequenz, untersucht werden. Als drittes Ziel sollen Möglichkeiten und Grenzen solcher transienter Nanoporen im Zusammenhang mit der Separation, insbesondere von Molekülen oder kleinen Ionen, identifiziert werden. Dabei geht es in der ersten Förderperiode explizit nicht um ein Trennungsproblem, sondern um das Verständnis von Möglichkeiten und Grenzen transienter Mesoporen und um die Optimierung von Material und Prozessparametern. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen zum mechanistischen Verständnis sollen in zukünftigen Förderperioden das gewonnene Verständnis und der erbrachte Proof of Concept genutzt werden, um ein rationales Design der transienten Nanoporenleistung in Bezug auf Selektivität und Energieverbrauch unter Einbeziehung anwendungsrelevanter Prozessparameter, wie Lösungszusammensetzung und Ionenmischungen sowie Konzentration, weiter zu entwickeln. Basierend auf den Erkenntnissen über die Materialeigenschaften und den Einfluss der Prozessparameter, vor allem in Bezug auf die angewandte Ansteuerungsfrequenz, die in der ersten Förderperiode untersucht wurden, streben wir rationale Designkriterien für transiente Poren an.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5584: Transiente Siebe