Frier- und Schmelzübergänge in mesoporösen Festkörpern: Von den Grundlagen bis zur fortgeschrittenen Charakterisierung mit Hilfe der Thermoporometrie / Freezing and melting transitions in nanoporous solids: From fundamental understanding to advanced characterization using thermoporometry
Frier- und Schmelzübergänge in mesoporösen Festkörpern: Von den Grundlagen bis zur fortgeschrittenen Charakterisierung mit Hilfe der Thermoporometrie
Titel (Englisch)
Freezing and melting transitions in nanoporous solids: From fundamental understanding to advanced characterization using thermoporometry
Beschreibung (Deutsch)
Das Hauptziel dieses Antrags ist Entwicklung eines analytischen Verfahrens, welches eine verlässliche Interpretation der Fest-Flüssig-Gleichgewichte und Phasenübergänge in mesoporösen Festkörpern ermöglicht und eine robuste Methode für die Strukturanalyse von mesoporösen Materialien mit Hilfe der Thermoporometrie darstellt. Um dieses Ziel zu erreichen, sind sich gegenseitig ergänzende experimentelle und theoretische Arbeiten geplant. Der theoretische Teil wird hauptsächlich auf dem kürzlich entwickelten Serially-Connected Pore Model (SCPM) basieren, welches die jüngsten Fortschritte im Feld der Phasenübergänge in "begrenzten Hohlräumen" berücksichtigt. Dieses Konzept wird angewendet um spezifische Eigenschaften von Schmelz- und Gefrierübergängen zu erfassen. Ein besonderes Augenmerk wird gelegt auf (1) die Untersuchung der Bedingungen für die Anwendbarkeit des SPCM unter Verwendung des Kossel-Stranski Modells für Kristallwachstum und (2) das Erarbeiten von Strategien um das inverse Problem zur Ableitung der Porengrößenverteilung (PSD) aus den experimentellen Kurven der Phasenübergänge zu lösen. Theoretische Resultate werden mit entsprechenden Experimenten validiert. Ein weiterer Fokus des experimentellen Teils des Projektes wird auf der Bestimmung der mikroskopischen Kernel für die Phasenübergänge für mehrere ausgewählte Flüssigkeiten mit Hilfe der Thermoporometrie liegen. Diese Kernel werden das Fundament für die Erfassung der PSDs bilden. Die geplanten Experimente werden mit Hilfe von Modellporensystemen durchgeführt, wie zum Beispiel (1) MCM-41 und SBA-15 zum Erstellen der Kernels für die Phasenübergänge und (2) ungeordnete poröse Gläser mit verschiedenen strukturellen Eigenschaften für die Überprüfung der SCPM und um neuartige Strategien für die strukturelle Analyse zu entwickeln.
Beschreibung (Englisch)
Mesoporous solids with the pore sizes between 2 and 50 nm according to the IUPAC definition attract a notable interest due to a favorable combination of two industrially-important properties. First of all, they possess high internal surfaces, which can purposefully be functionalized by, e.g., catalytically-active groups. At the same time, relatively large pore sizes give rise to low transport resistivities and allow easy access of their internal surfaces even for bulky molecules. These two properties have turned mesopores also an interesting means to upgrade the properties of microporous solids by intentionally creating mesopore networks within these materials.
Understanding of physico-chemical processes occurring in mesopore spaces is a key for the optimal use of mesoporous solids in catalysis, drug delivery, molecular separation and many other fields. These processes are often very sensitive to morphological properties of these materials, including the pore size and pore space architecture. That is why structural characterization of nanoporous solids was long in the focus of fundamental research. Despite of a long history of these studies, many aspects of these host-guest systems still remain matter of debates and active research. One of the main reasons for this is the fact that the conventionally-used characterization approaches exploit the pore size-dependent nature of phase transitions in confined spaces. A rich spectrum of phase transition behaviors and incomplete understanding of the fundamentals of these phenomena are respectively reflected in the methodologies developed for structural analysis.
