Team Nanostrukturierte Membrane
Nanostrukturierte poröse Membranen
Der chemische Werkzeugkasten für Nanomaterialien bietet eine unendliche Perspektive für die Erstellung poröser Membranen mit nanoskaligen Eigenschaften für anspruchsvolle Anwendungen wie Gastrennung und Lösungsmittelrückgewinnung. Texturierte Oberflächen können durch Nanofinement von intelligenten Polymerbürsten oder Oberflächenpolymerisation von organischen Netzwerken hergestellt werden. Nanokanäle können jetzt mit zweidimensionalen porösen Nanomaterialien gefertigt werden. Um jedoch eine vollständige Kontrolle über das Verhalten und die Eigenschaften dieser hybriden/anorganischen porösen Membranen zu erlangen, ist es wichtig, ihre Merkmale (z. B. Porendurchmesser, Dicke und Oberflächenzusammensetzung) auf der Nanoskala zu beherrschen.
Dies ist das Ziel der nächsten Generation hybrider poröser Membranen, die die Kombination von zweidimensionalen Nanomaterialien (z. B. Zeolithe, metall-organische Rahmenwerke) und die Wissenschaft der organischen Oberflächenmodifizierung zur Entwicklung nanostrukturierter Membranen vorantreiben wird.
Metall-organische Rahmenwerke und Zeolith-Nanoblätter
Metall-organische Rahmenwerke und Zeolith-Nanoblätter sind ultradünne zweidimensionale Nanomaterialien mit genau definierten Poren, die nur bestimmte Gase durchlassen können. Diese Eigenschaft ist besonders interessant für die Abtrennung von Wasserstoff aus Erdgas, das für den Transport eingespritzt wird, und für die Abtrennung von Kohlendioxid aus der Luft, wie es in der Zementindustrie produziert wird. Die ideale Membran sollte mechanisch robust und möglichst dünn sein, damit sie im Dauerbetrieb nicht reißt und den schnellen Transport der Gasmoleküle ermöglicht. Die Herstellung solcher Membranen ohne Defekte auf porösen Keramikträgern bleibt eine Herausforderung. Durch Variation der chemischen Oberflächenkomposition der Träger und Nanoblätter mit Hilfe intelligenter Polymere ist es möglich, Defekte zu heilen oder zu verhindern. Das erste Ziel des Teams "Nanostrukturierte Membranen" besteht also darin, die Trenneigenschaften der Nanoblätter mit der Flexibilität der Polymere und der Steifigkeit des Trägers zu kombinieren.
Innovative Up-Scaling Ansätze
Der andere Schwerpunkt liegt auf der Herstellung von robusten Membranen mit Methoden, die sich leicht skalieren lassen. Nach der Überführung der MOFs und Zeolith-Nanomaterialien in stabile Suspensionen wird die Herstellung hochwertiger 2D-Membranen auf der Basis von Nanomaterialien mit Hilfe von lösungsbasierten Abscheidungs- und Drucktechniken untersucht, wobei die am IEK-1 verfügbare keramische Fertigungstechnologie eingesetzt wird. Computergestützte Modellierungswerkzeuge werden eingesetzt, um die Eigenschaften der Materialien bei der Gastrennung zu untersuchen. Molekulardynamische Simulationen werden diesen Prozess beschleunigen, indem sie Einblicke in die Natur der inter-/intramolekularen Wechselwirkungen und deren Einfluss auf das Trennverhalten von Gasen geben.