Ziel der Entwicklung
Zur Bewertung von Sorbentien, Katalysatoren oder anderer oberflächen- und porenwirksamer Materialien werden meist Texturparameter wie die spezifische Oberfläche, die Porenweite oder Porenweitenverteilungen ermittelt. Typischerweise wird dies durch manometrische Gassorption mit Fluiden wie Stickstoff und Argon bei ihrer Siedepunkttemperatur durchgeführt. Aus den so zugänglichen Sorptionsisothermen können mit verschiedenen Modellen die zuvor genannten Parameter quantifiziert werden. Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) ist dabei die modernste Methode zur Beschreibung dieser texturellen Eigenschaften. Die Anwendung der Methode stellte anfänglich sehr hohe Ansprüche vor allem an die Rechenkapazität und somit an die notwendige Computerleistung. Jedoch führt eine enorme Entwicklung in immer neuen leistungsstärkeren Rechensystemen und deren Kapazität zu einer positiven Wirkung auf den umfangreicheren Einsatz von berechnungsintensiven Auswertetools. Die klassische non-local density functional theory (NLDFT) ist heutzutage Stand der Technik und wird von vielen Anwendern genutzt. Ein Nachteil der NLDFT-Methode ist, dass chemische und geometrische Heterogenität der Porenwände bzw. der Porenoberfläche nicht berücksichtigt und stattdessen als strukturlos sowie chemisch einheitlich und geometrisch glatte Oberflächen angesehen werden. In der Folge ergeben sich zwischen den erhaltenen theoretischen Isothermen und dem realen Sorbens teilweise große Differenzen. Besonders für neuartige poröse Materialien mit teilweise großen Differenzen in der Oberflächenhydrophilie oder für oberflächenmodifizierte Materialien versagen diese Modelle. Weiterentwicklungen für heterogene Oberflächen wurden speziell für Aktivkohle und silikatische Materialien erstellt. Bei der sogenannten quenched-solid density functional theory (QSDFT) wird die innere Oberfläche des Sorbens als heterogen dargestellt (Wellenmodell durch Aneinanderreihung verschiedener kugelförmiger Atome). Eine Wechselwirkung mit den Sorptivmolekülen führt dann zu Dichteprofilen eines Zweikomponentensystems. Durch diese Verbesserungen lassen sich heterogene Oberflächen mit größerer Genauigkeit beschreiben. Jedoch wurden diese Methoden nur für eine kleine Auswahl an Sorbentien durchgeführt, geprüft und validiert. Durch die Neuentwicklung poröser Materialien und deren vielseitige Oberflächenstrukturen, Porengrößen und Porengeometrien besteht ein großer Forschungsbedarf für die Erstellung geeigneter Auswerteroutinen basierend auf DFT-Methoden wie der QSDFT.
Das Ziel des Vorhabens bestand daher in der Entwicklung eines Messverfahrens und der entsprechenden Messanordnung für die Charakterisierung von Oberflächeneigenschaften sowie in der Poren- und Partikelanalyse. Um diese zu erreichen, wurde eine multivalente Messanordnung aufgebaut. Diese erfüllt die messtechnischen Anforderungen für die Schaffung einer breiten Datenbasis (Vermessen von unterschiedlichen Fluiden über einen breiten Temperatur- und Druckbereich) als auch für die Erstellung neuartiger Auswerteroutinen auf Basis erweiterter DFT-Modelle insbesondere der QSDFT für mehratomige Moleküle und dessen Einsatz zur Texturanalyse poröser Materialien.
Vorteile und Lösungen
Mit Hilfe der neuen Messanordnung können problemlos Sorptionsisothermen von mehratomigen Adsorptiven wie CO2, CH4, Ethan oder H2O u.a. in einem breiten Temperatur- und Druckbereich messtechnisch erfasst werden. Die Porenfüllung poröser Materialien kann so zur Bestimmung von Wechselwirkungseigenschaften zwischen Oberfläche und Adsorptivmolekül als auch zur gleichzeitigen Texturbestimmung (spezifische Oberfläche, Porenweite, Porenweitenverteilung u.ä.) herangezogen werden.
Basierend auf der DFT wurden Auswerteroutine entwickelt, so dass Oberflächeneigenschaften durch gezielte Bestimmung der Wechselwirkung mehratomiger Moleküle unterschiedlicher Polarität mit Oberflächen von Sorbentien quantifiziert werden können. Die Durchführung in einem weiten Temperatur- (77 K bis 350 K) und Druckbereich (bis 35 bar) erweitert die Applikationsmöglichkeiten im Vergleich zu klassischer physisorptiver Charakterisierung mit N2- oder Ar-Sorption enorm.
Das Messverfahren ist innovativ, da es klassische Messtechnik, erweiterte theoretische Modelle und eine hohe Flexibilität in der Anwendung kombiniert. Dadurch bietet sich insbesondere in der Charakterisierung neuartiger Materialien mit heterogenen Oberflächen wie im Fall von Hybridmaterialien oder oberflächenfunktionalisierten Materialien ein enormer Fortschritt in der Materialentwicklung und Qualitätssicherung sowie dem ganzheitlichen Verständnis der Materialeigenschaften.
Zielgruppe und Zielmarkt
Aufgrund der stetig steigenden Anforderungen an neue Materialien, die u. a. auf dem gestiegenen Umweltbewusstsein, auf einer strengeren Gesetzgebung im Umweltschutz und auf den Zielvorgaben aus der Industrie basieren, ist mit der Entwicklung hochleistungsfähiger poröser Materialien insbesondere unter ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten ein hoher Bedarf und ein entsprechender Markt zu verzeichnen.
Durch neue leistungsfähige Sorbentien können die Anforderungen an Prozessgase, Abluft und Abwasser sowie Reaktionsmedien (sehr hohe Reinheiten) bei katalytischen Verfahren (beispielsweise Power-to-X) erfüllt werden. Beispielsweise sind in den letzten Jahren Fragestellungen im Bereich der Reinigung von Trink-, Oberflächen- und Abwässern bezüglich der Fragestellungen der Entfernung von Spurenstoffen (Metabolie von Medikamenten) und persistenten organischen Schadstoffen (PFAS) in den Fokus gerückt. So wird in Klärwerken eine vierte Reinigungsstufe installiert. Mit neu entwickelten Sorbentien, die die Fragestellungen lösen, ist der Markt für neue Anlagen entsprechend vorhanden.
Die Entwicklung neuer selektiver und robuster Sorbentien, die gegenüber Alterungsreaktionen bzw. Desaktivierungsprozessen stabil sind, können beispielsweise die ständig steigenden Anforderungen im Bereich der Luftreinhaltung erfüllt werden. Außerdem rücken aufgrund der durch die Vereinten Nationen definierten 17 globalen Nachhaltigkeitsziele (Sustainable Development Goals) die geschlossenen stofflichen Kreisläufe und die kohlenstoffneutrale Chemische Industrie in den Fokus. Das bedeutet, dass für bekannte Synthesen neue biobasierte Edukte zum Einsatz kommen, die aber aufgrund ihres Ursprungs bisher nicht vorhandene Komponenten im Spurenbereich enthalten können. Um diese zu entfernen, müssen die Sorbentien für die neuen Stoffströme und deren Aufreinigung vor dem Einsatz in den Synthesen entwickelt werden, um somit weitere Märkte und Anwendungsfelder erschließen zu können.
Weiterhin werden neue poröse Materialien auch in der Pharmazie und im Bausektor entsprechende Anwendungen finden. Die Materialien dienen im pharmazeutischen Bereich als Träger der Wirksubstanzen oder finden im Baubereich als Dämmstoffe Anwendung.
Folgende konkrete Adressaten finden sich für die Anwendung des Messverfahrens:
– Messgeräteentwickler / Hersteller von Charakterisierungssystemen für poröse Materialien (Bau der Messgeräte inkl. der Auswertesoftware in Lizenz)
– Hersteller von Hochleistungsaktivkohlen, z.B. für den Einsatz in leistungsfähigen Anlagen zur Luft- und Wasserreinhaltung
– Hersteller neuartiger Adsorbentien auf der Basis von modifizierten Zeolithen
– Hersteller poröser Baustoffe, insbesondere von Dämmmaterialien
– Hersteller von porösen organischen und anorganischen Trägermaterialien für die Pharmazie.
