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Benetzungssteuerung und der Einfluss auf ionischen Stofftransport in mesoporöse Filme

Khalil, Adnan (2022)
Benetzungssteuerung und der Einfluss auf ionischen Stofftransport in mesoporöse Filme.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021598
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Benetzungssteuerung und der Einfluss auf ionischen Stofftransport in mesoporöse Filme
Language: German
Referees: Andrieu-Brunsen, Prof. Dr. Annette ; Biesalski, Prof. Dr. Markus
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 117, XXXI Seiten
Date of oral examination: 12 May 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021598
Abstract:

Die Entwicklung nanoporöser Materialien hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer technologischen Relevanz, z.B. in Energie- und Wasseranwendung, enorme Aufmerksamkeit erfahren. Diese Anwendungen hängen stark von den Transportprozessen in nanoporösen Materialien ab, die eng mit den Benetzungseigenschaften verknüpft sind. Im nanobeschränkten Raum dominieren die Wechselwirkungen zwischen Molekülen und Oberfläche, was zu außergewöhnlichen Transportphänomenen führt, die sich vom Bulk-ähnlichen Verhalten unterscheiden, insbesondere wenn die Dimensionen der Nanoporen nahe der Debye-Screeninglänge liegen oder hydrophobe Wechselwirkungen beteiligt sind. Daher ist das Verständnis und das Design des Zusammenspiels von Benetzung-Transport und Benetzung-Ladung-Transport in nanometergroßen Poren ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der Nanoporentransportperformance. Um dieses Zusammenspiel von Benetzung und Transport in Nanoporen systematisch zu verstehen und zu gestalten, wurden chemische Funktionalisierungstechniken entwickelt und optimiert. Eine graduelle Einstellung der Benetzungseigenschaften mesoporöser Silicadünnschichten wurde durch chemische Gasphasenabscheidung unpolarer Chlorsilane erreicht. Der wechselseitige Einfluss der Benetzung auf die Flüssigkeitsimbibition, die Kondensation und den molekularen Transport wurde untersucht. Als zentrales Ergebnis konnten zwei verschiedene Ionentransportmechanismen vorgeschlagen werden, die sich aus drei definierten Benetzungsregimen sowie einem Grenzwertwert für die Hydrophobie ergeben, der die Zugänglichkeit der Poren reguliert. Bei der Grenzhydrophobie sind die Poren aufgrund ihres Benetzungsverhaltens geschlossen, können aber z. B. durch elektrostatische Anziehung geöffnet werden. Außerdem zeigten Wassersorptionsstudien bei der Grenzhydrophobie teil-gefüllte Mesoporen, die einen Ionentransport in unmittelbarer Nähe der Porenwände bewirken. Darüber hinaus hatten die Wassersorptionseigenschaften einen entscheidenden Einfluss auf den Wassertransport innerhalb der porösen Matrix. Mit Hilfe eines neuartigen optischen Aufbaus in Kombination mit der Entwicklung einer geeigneten Bildanalysemethode konnte der Wassertransport in Abhängigkeit von verschiedenen Benetzungseigenschaften mesoporöser Silicafilme abgebildet und bewertet werden. Mit abnehmender Hydrophilie verringerte sich die maximale Imbibitionsfläche um einen Tropfen, begleitet von einer gleichzeitigen Veränderung der Imbibitionskinetik und des Imbibitionsmechanismus. Weiterhin konnten kürzlich beschriebene spontane Kondensations-Verdampfungs-Ungleichgewichte, die zu Oszillationen der Imbibitionsfront führen, verifiziert werden und wurden im Hinblick auf die sich ändernden Benetzungseigenschaften untersucht. Darüber hinaus wurde eine systematische Studie zur Steuerung der Wasserinfiltration und -kondensation in keramische Mesoporen durchgeführt, indem die Benetzungseigenschaften mesoporöser Filme mit Hilfe eines photoaktiven Spiropyrans sorgfältig eingestellt wurden. Die Messung des Kontaktwinkels ergab signifikante Veränderungen der Benetzbarkeit nach Belichtung aufgrund der Spiropyran/Merocyanin-Isomerisierung, die einen Übergang von trockenen zu wasserbefüllten Poren induzierte, begleitet von einer Bewegung der Dreiphasenkontaktlinie, welche für Tropfenkoaleszenzexperimente genutzt werden konnte. Die Ergebnisse sind für künftige Wassermanagementkonzepte, die die Filterung auf der Nanoskala durch Imbibition und die Sammlung durch Tropfenkoaleszenz umfassen, von großer Bedeutung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The development of nanoporous materials has received enormous attention during the last decades due to their technological relevance in e.g. energy- and water-management. These applications strongly rely on the transport processes within nanoporous materials which are tightly and mutually connected to wetting properties. In nano-confined space the interactions between molecules and surface are dominant, leading to extraordinary transport phenomena differing from bulk-like behaviour, particularly when the dimensions of the nanopores are close to the Debye screening length or hydrophobic interactions are involved. Thus, the understanding and design of the wetting-transport and wetting-charge-transport interplay in nanometer sized pores is a key step to improve nanopore transport related performance. To systematically understand and design this interplay of nanopore wetting and transport, chemical functionalization techniques were developed and optimized. A gradual adjustment of the wetting properties of mesoporous silica thin films was realized by chemical vapour deposition of unpolar Chlorosilanes. The mutual influence of wetting on liquid imbibition, condensation, and molecular transport was investigated. As a key result two different ion transport mechanisms could be proposed, which emerge from three defined wetting regimes as well as a threshold hydrophobicity suppressing pore accessibility. At the threshold hydrophobicity the pores are closed due to their wetting behavior but can be opened e.g. by electrostatic attraction. At this threshold hydrophobicity water sorption measurements revealed partially filled mesopores allowing an ionic transport in immediate vicinity to the porewalls. Furthermore, the water sorption properties had crucial influence on the water transport inside the porous matrix. Using a novel optical setup in combination with the development of an appropriate image analysis method, the water transport could be imaged and evaluated in dependence of different wetting properties of mesoporous silica thin films. With decreasing hydrophilicity, the maximum imbibition area around a droplet decreased, accompanied by a simultaneous change in the imbibition kinetics and imbibition mechanism. Furthermore, recently described spontaneous condensation-evaporation imbalances that cause oscillations of the imbibition front could be verified and were studied with regard to changing wetting properties. Thereby, a decrease in the amplitude of the oscillations could be observes with increasing apparent contact angle of the material, due to an increase of the capillary condensation pressure. Additionally, a systematic study of gating water infiltration and condensation into ceramic mesopores by carefully adjusting the wetting properties of mesoporous films using a photoactive spiropyran was performed. Contact angle measurement revealed significant changes in wettability after irradiation due to spiropyran/merocyanine-isomerization, which induced a wetting transition from dry to wet pores, accompanied by a movement of the three-phase contact line, and could be used for droplet coalescence experiments. Therefor a highly relevant results were obtained for future water management concepts, which include filtering on the nanoscale by imbibition and collection by droplet coalescence.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-215981
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Makromolekulare Chemie
TU-Projects: DFG|SFB1194|TP C04 Andrieu-Bruns
Date Deposited: 15 Jul 2022 09:09
Last Modified: 16 Aug 2022 13:12
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21598
PPN: 497909502
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