Dokument: Komposite aus Aluminium-basierten Metall-organischen Gerüstverbindungen und deren Anwendung in der Gassorption
| Titel: | Komposite aus Aluminium-basierten Metall-organischen Gerüstverbindungen und deren Anwendung in der Gassorption | |||||||
| Weiterer Titel: | Aluminum-based metal-organic framework composites and their application in the gas sorption | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=58827 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20220222-084744-5 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Kökcam-Demir, Ülkü [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Janiak, Christoph [Gutachter] Prof. Dr. Ganter, Christian [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die vorliegende kumulative Dissertation beschäftigt sich mit zwei Forschungsschwerpunkten im Bereich der Metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs). Ein Ziel war es, neue mikroporöse, wasserstabile Komposite aus Aluminium-basierten MOFs (Al-MOFs) mit Graphitoxid (GO) herzustellen und verbesserte Sorptionseigenschaften hinsichtlich der Porosität und der Wasseraufnahmekapazität gegenüber den reinen Al-MOFs zu erzielen. Ein weiteres Ziel bestand darin, eine umfassende Übersicht zu dem Thema „MOFs mit offenen Metallstellen“ (open metal sites, OMS) anhand der Fachliteratur in Form eines Reviews zusammenzustellen.
Im Rahmen einer Veröffentlichung wurden neue Al-MOF-GO Komposite vorgestellt. Diese Komposite bestehen aus zwei literaturbekannten Al-MOFs, MIL-100 und CAU-10-H, mit verschiedenen Anteilen an Graphitoxid (von 2 bis 16 Gew.-%). Die Darstellung der Al-MOF-GO Komposite erfolgte durch in situ MOF-Synthesen. Die Komposite wurden als mikrokristalline Pulver erhalten und anschließend umfassend charakterisiert. Ihre Porosität wurde mittels Stickstoffsorption und ihre Wasseraufnahmekapazität mittels Wassersorption untersucht. Im Vergleich zu reinen Al-MOFs konnten höhere spezifische BET-Oberflächen, (Mikro-) Porenvolumina und Wasseraufnahmen erreicht werden. Dies lässt sich auf eine gute Wechselwirkung zwischen dem Al-MOF und GO mit der Bildung einer zusätzlichen Grenzfläche zurückführen. Vor allem das MIL-100(Al)-GO Komposit mit nur 2 Gew.-% GO zeigte eine 12% höhere BET-Oberfläche, einen 10% höheren Gesamtporenvolumen und eine um 23% erhöhte Wasseraufnahme gegenüber dem reinem MIL-100(Al) auf. Bei höheren GO-Anteilen (4, 9, 16 Gew.-%) resultierten ebenfalls verbesserte Sorptionsergebnisse. Im Gegensatz dazu wurde im Fall von CAU-10-H-GO Kompositen mit 2, 5, 8, 15 Gew.-% GO nur eine geringe Zunahme der Porosität und der Wasseraufnahme festgestellt. Andererseits wurden in allen vier CAU-10-H-GO Kompositen eine hydrophile Verschiebung der steilen Wasseraufnahme der S-förmigen Isotherme zu einem niedrigen relativen Druck (p∙p0−1 = ~0.15) im Vergleich zu reinem CAU-10-H (p∙p0−1 = ~0.17) beobachtet. Die hydrothermale Stabilität der Al-MOF-GO Komposite konnte mittels Wasseradsorptions- und Wasserdesorptionszyklen belegt werden. Im Rahmen einer weiteren Veröffentlichung wurde eine umfangreiche theoretische Zusammenfassung zu MOFs mit offenen Metallstellen (open metal sites, OMS) gegeben. Dieses Review kombiniert alle bisherigen Aspekte der Fachliteratur zu OMS in MOFs. MOFs mit offenen Metallstellen können durch die Entfernung von koordinierten labilen Lösungsmittelmolekülen mithilfe von Synthesestrategien generiert werden. Die erhaltenen OMS-MOFs können mittels analytischer Methoden auf die Beibehaltung der Kristallinität und Porosität und auf das Vorhandensein von offenen Metallstellen untersucht werden. Die relative Menge an Lewis-Säure Stellen oder OMS in MOFs kann anhand weiterer Methoden wie Gas- oder Dampfadsorption, Infrarot-Spektroskopie und temperaturprogrammierter Desorption quantifiziert werden. In theoretischen Studien werden die Auswirkungen von offenen Metallstellen auf Wirt-Gast-Wechselwirkungen thematisiert. OMS in MOFs führen zu einer Verstärkung der Wechselwirkungen zwischen den freien Metallstellen und den Gastmolekülen. Beispielsweise besitzen MOFs mit offenen Metallstellen eine höhere Affinität gegenüber diversen Gasen wie Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid oder Stickstoffmonoxid im Vergleich zu MOFs ohne OMS.The present cumulative thesis consists of two main parts in the field of metal-organic frameworks (MOFs). One objective was to produce microporous, water stable composites of aluminum-based MOFs (Al-MOFs) with graphite oxide (GO) and to enhance the gas sorption properties with regard to the porosity and the water uptake capacity compared to the neat Al-MOFs. Another objective was to compile a complete overview on the subject “MOFs with open metal sites” (OMS) based on the literature in form of a review. In one publication, new Al-MOF-GO composites were presented. These composites consist of two known Al-MOFs MIL-100 and CAU-10-H with different GO loadings (from 2 to 16 wt%) and were prepared by in situ MOF synthesis. The composites were obtained as microcrystalline powders and then fully characterized. The porosity was investigated by nitrogen sorption and the water uptake capacity by water sorption. Compared to the neat Al-MOFs, it was possible to archive higher specific BET surface areas, (micro) pore volumes and water uptakes. This can be explained by the good interaction of Al-MOF and GO with the formation of an additional interface with surface area and void volume. In particular, the MIL-100(Al)-GO composite with only 2 wt% GO showed an increase of 12% in BET surface area, an increase of 10% in total pore volume and an increase of 23% in water uptake, in comparison to neat MIL-100(Al). Higher GO loadings (4, 9, 16 wt%) also resulted in an increase in sorption properties. To the contrary, in the CAU-10-H-GO composites with 2, 5, 8, 15 wt% GO the porosities and water uptakes increase only slightly. On the other hand, a hydrophilic shift of the steep water uptake of the S-shaped isotherm to slightly lower relative pressure (p∙p0−1 = ~0.15) was observed in all four CAU-10-H-GO composites, in comparison to neat CAU-10-H (p∙p0−1 = ~0.17). The hydrothermal stability of the composites has been proven by water adsorption and desorption cycles. In an additional publication, an extensive theoretical summary on MOFs with open metal sites (OMS) was given. This review combines all previous aspects of the literature on OMS in MOFs. MOFs with open metal sites can be generated by the removal of coordinated labile solvent ligand molecules by using synthetic strategies. OMS-MOFs can be examined by analytical methods to show the retention of crystallinity, porosity and presence of open metal sites. Several other techniques such gas or vapor adsorption, infrared spectroscopy and temperature-programmed desorption can be used to quantify the relative amount of Lewis acid sites or OMS in MOFs. The effect of open metal sites with host-guest interactions are discussed in theoretical studies. The presence of OMS in MOFs causes enhanced interactions between the metal site and guest molecules. For example, MOFs with open metal sites provide higher affinity for various gases such as hydrogen, carbon dioxide or nitrogen monoxide compared to MOFs without OMS. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Anorganische Chemie und Strukturchemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.02.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.02.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.10.2021 | |||||||
| Datum der Promotion: | 21.12.2021 |
