Local mesopore functionalization, characterization and ion filtration

The global demand for clean drinking water is steadily increasing, while resources are under growing pressure from population growth, industry, and climate change. Membrane-based separation processes are a key technology for efficient and sustainable water treatment, with precise control of pore structure and surface chemistry being crucial for high separation performance.

This thesis explores strategies for surface functionalization of mesoporous silica and alumina membranes. The first part focuses on local functionalization of silica thin films via plasmon- and laser-induced polymerization of DMAEMA, characterized by IR spectroscopy and, more sensitively, fluorescence imaging. Further development included dye-sensitized and PET-RAFT polymerizations, enabling the first laser-plasmon-induced polymerization of cationic monomers. Light-controlled copolymerization of fluorescent monomers was also achieved, allowing tunable control over the amount and spatial distribution of polymer microstructures.

The second part investigates the modification of anodic alumina membranes (AAO) to regulate ion transport via wettability and surface charge. Perfluorosilane functionalization systematically reduced ion permeation, leading to near-complete exclusion in strongly hydrophobic membranes. Zeta potential measurements revealed complex changes in surface charge, which were correlated with ion transport behavior. Additionally, covalent immobilization of spiropyran units was demonstrated to enable light-controlled adsorption of zinc ions. Although light-triggered release of zinc could not be conclusively verified, the results highlight both the potential and current limitations of this functionalization strategy.

Der weltweite Bedarf an sauberem Trinkwasser steigt kontinuierlich, während Ressourcen durch Bevölkerungswachstum, Industrie und Klimawandel zunehmend unter Druck geraten. Membranbasierte Trennverfahren stellen eine Schlüsseltechnologie dar, um Wasser effizient und nachhaltig aufzubereiten. Voraussetzung für hohe Trennleistungen ist eine präzise Kontrolle von Porenstruktur und Oberflächenchemie der Membranen.

In dieser Arbeit wurden Strategien zur Oberflächenfunktionalisierung mesoporöser Silica- und Aluminiumoxid-Membranen entwickelt und charakterisiert. Im ersten Teil lag der Fokus auf der lokalen Funktionalisierung von Silicafilmen durch plasmonen- und laserinduzierte Polymerisation von DMAEMA sowie deren Nachweis durch IR-Spektroskopie und besonders empfindliche Fluoreszenzbildgebung. Eine Weiterentwicklung erfolgte durch Farbstoff-sensibilisierte und PET-RAFT-Polymerisation, wodurch erstmals kationische Monomere unter Laseranregung von Oberflächenplasmonen polymerisiert wurden. Zudem wurden lichtgesteuerte Copolymerisationen von fluoreszierenden Monomeren realisiert, wodurch die Menge und räumliche Verteilung der Polymerstrukturen gezielt einstellbar war.

Der zweite Teil befasste sich mit der Modifikation von AAO-Membranen, um deren Ionentransport über Benetzbarkeit und Oberflächenladung zu steuern. Perfluorsilan-Funktionalisierungen führten zu einer systematischen Hemmung des Ionenflusses bis hin zum nahezu vollständigen Ausschluss bei stark hydrophoben Membranen. Zeta-Potential-Messungen zeigten komplexe Veränderungen der Oberflächenladung, deren Einfluss auf die Permeabilität untersucht wurde. Zusätzlich wurde die kovalente Anbindung von Spiropyran demonstriert, um eine lichtgesteuerte Adsorption von Zinkionen zu ermöglichen. Zwar konnte ein gezielter lichtinduzierter Freisetzungsprozess nicht eindeutig nachgewiesen werden, die Arbeiten zeigen jedoch das Potenzial und die Grenzen dieser Funktionalisierungsstrategie auf.