Dokument: Sorptionsanwendungen von Metall-organischen Gerüst-/Holz-Kompositmaterialien und von ionischen Flüssigkeiten
| Titel: | Sorptionsanwendungen von Metall-organischen Gerüst-/Holz-Kompositmaterialien und von ionischen Flüssigkeiten | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=61544 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20221222-092007-8 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Spieß, Alex [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 Arbeit umfasst zwei unterschiedliche Themenkomplexe.
Im ersten Teil wird die Synthese von Kompositmaterialien aus Metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs) untersucht. Da MOFs in der Regel als mikrokristalline Pulver erhalten werden, ist die Formgebung für nachgelegte Anwendungen essenziell. Häufig werden dazu Polymere verwendet, welche jedoch die Porosität der MOFs blockieren können und eine geringe mechanische Stabilität aufweisen. Als Alternatives Substrat für die Kompositsynthese könnte Holz verwendet werden. Holz ist ein natürliches, hoch geordnetes, mechanisch stabiles und makroporöses Material. Durch eine in situ Synthese können MOFs direkt auf der inneren Oberfläche von Holz synthetisiert werden, um MOF@Holz-Komposite zu erzeugen. Mit herkömmlichen Methoden können damit allerdings nur MOF-Anteile bis zu 4 Gewichtsprozent erhalten werden. In dieser Arbeit wurden daher Methoden zur Holzfunktionalisierung untersucht, um den MOF-Anteil zu erhöhen. Dazu wurde das Holz einerseits mit Maleinsäureanhydrid (MA) funktionalisiert, wodurch mehr Carboxy-Gruppen erzeugt werden. Andererseits wurde das Holz mit (3-Aminopropyl)triethoxysilan (APTES) funktionalisiert, um mehr Amino-Gruppen im Holz zu erzeugen. Anschließend wurden Komposite mit den MOFs MIL-53(Al) und ZIF-8 synthetisiert, wodurch ein MOF-Anteil von bis zu 13 Gewichtsprozent im Holz erzeugt werden konnte. Die so erhaltenen Komposite wurden anschließend für potenzielle Anwendungen in der Adsorption von Schadstoffen aus Wasser und der heterogenen Katalyse untersucht und erzielten vielversprechende Ergebnisse sowohl für die statische als auch die kontinuierliche Adsorption und Katalyse. Im zweiten Teil wurde das Wassersorptionsverhalten hydrophiler ionischer Flüssigkeiten (ILs) untersucht. Auch wenn lange bekannt ist, dass vor allem hydrophile ILs große Mengen an Wasser absorbieren können, so gibt es dennoch kaum Untersuchungen zu vollständigen Wassersorptionsisothermen von ILs. Daher wurden in dieser Arbeit sechs ILs mit den Kationen [EMIm] und [BMIm] und den Anionen [OAc], [HCOO] und [Lac] mittels der statisch volumetrischen Wasserdampfsorption untersucht. Die genannten ILs zeigten eine stetige Wasseraufnahme mit Aufnahmekapazitäten von bis zu 2 g g-1. Allerdings konnte durch wiederholte Messungen gezeigt werden, dass diese Aufnahme stark von der verwendeten Menge der IL während der Messung abhängt, beziehungsweise genauer von dem Verhältnis der Oberfläche an der IL-Luft-Grenzfläche zu dem Volumen der IL. Durch gravimetrische Kontrollexperimente konnte gezeigt werden, dass die Sorptionskinetik bei sehr hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnissen am schnellsten ist. Zusätzliche NMR-Diffusions-experimente zeigten, dass die Wassermoleküle in der IL deutlich höhere Diffusionskoeffizienten als die IL-Ionen haben und daher die Absorption des Wassers von der IL-Oberfläche in die IL-Masse der geschwindigkeitsbestimmende Schritt zu seien scheint.The present work covers two different sets of topics. In the first part, the synthesis of composite materials from metal-organic frameworks (MOFs) is investigated. Since MOFs are usually obtained as microcrystalline powders, shaping is essential for subsequent applications. Polymers are often used for this purpose, but they can block the porosity of MOFs and have low mechanical stability. Wood could be used as an alternative substrate for composite synthesis. Wood is a natural, highly ordered, mechanically stable and macroporous material. Through in situ synthesis, MOFs can be synthesized directly on the inner surface of wood to produce MOF@wood composites. However, conventional methods can only obtain MOF fractions up to 4 weight-percent. In this work, therefore, methods for wood functionalization were investigated in order to increase the MOF content. For this purpose, on the one hand, the wood was functionalized with maleic anhydride (MA), which generates more carboxy groups, and on the other hand, the wood was functionalized with (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES) to generate more amino groups in the wood. Subsequently, composites were synthesized with the MOFs MIL-53(Al) and ZIF-8, generating a MOF content of up to 13 weight-percent in the wood. The obtained composites were then investigated for potential applications in adsorption of pollutants from water and heterogeneous catalysis, obtaining promising results for both static and continuous adsorption and catalysis. In the second part, the water sorption behavior of hydrophilic ionic liquids (ILs) was investigated. Although it has long been known that hydrophilic ILs in particular can absorb large amounts of water, there are nevertheless few studies on complete water sorption isotherms of ILs. Therefore, in this work, six ILs containing the cations [EMIm] and [BMIm] and the anions [OAc], [HCOO] and [Lac] were investigated by static volumetric water vapor sorption. The aforementioned ILs showed steady water uptake with uptake capacities up to 2 g g-1. However, repeated measurements showed that this uptake strongly depends on the amount of IL used during the measurement, or more precisely on the ratio of the surface area at the IL-air interface to the volume of IL. Through gravimetric control experiments, it was shown that the sorption kinetics is fastest at very high surface-to-volume ratios. Additional NMR diffusion experiments showed that the water molecules in the IL have significantly higher diffusion coefficients than the IL ions and therefore the absorption of water from the IL surface into the IL bulk appears to be the rate-determining step. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Chemie » Anorganische Chemie und Strukturchemie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.12.2022 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.12.2022 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 25.10.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.12.2022 |
