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Nanoporöse Polymernetzwerke: Strukturdynamik und Adsorption flüchtiger organischer Verbindungen

Kraffczyk, Hanna (2024)
Nanoporöse Polymernetzwerke: Strukturdynamik und Adsorption flüchtiger organischer Verbindungen.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026554
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Nanoporöse Polymernetzwerke: Strukturdynamik und Adsorption flüchtiger organischer Verbindungen
Language: German
Referees: Rose, Prof. Dr. Marcus ; Buntkowsky, Prof. Dr. Gerd
Date: 31 January 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 174, xliii Seiten
Date of oral examination: 8 January 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00026554
Abstract:

Das Phänomen der Adsorption kann großflächig dazu genutzt werden, etablierte industrielle Prozesse, wie z.B. thermische Trennverfahren, durch nachhaltigere adsorptionsbasierte Alternativen zu ersetzen. Lange Zeit wurden für solche Anwendungen lediglich klassische Materialien wie Zeolithe und Aktivkohlen eingesetzt. Heutzutage steht vermehrt die Untersuchung neuartiger mikroporöser Gerüstverbindungen im Fokus, deren Herstellung sich durch eine hohe Variabilität einsetzbarer Netzwerkbausteine auszeichnet. So lassen sich Adsorbenseigenschaften gezielt auf Anforderungen ausgewählter Anwendungen zuschneiden. Im Gegensatz zu klassischen Adsorbentien, die rigide Strukturen besitzen, weisen die neuen Materialien häufig flexible Netzwerkeigenschaften auf, was während Adsorptionsprozessen zu strukturellen Veränderungen führen kann. Gleichzeitig folgt hieraus, dass sich während der Adsorption kein beobachtbares thermodynamisches Gleichgewicht einstellt. Dennoch werden Adsorptionsisothermen, die definitionsgemäß den Gleichgewichtszustand beschreiben sollen, standardmäßig zur Charakterisierung poröser flexibler Materialien eingesetzt. In dieser Arbeit wird der Adsorptionsprozess am Beispiel verschiedener Adsorbentien aus zwei Materialklassen untersucht. Zu diesem Zwecke wurden zunächst ultrahochvernetzte Polymere (HCPs) und metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) unter Einsatz von Benzol-, Naphthalin- und Anthracen-basierten Netzwerkbausteinen synthetisiert. Dabei wird der Einfluss der Ausdehnung des konjugierten π Elektronensystem auf die chemischen Oberflächeneigenschaften der Adsorbentien am Beispiel der Benzol- und Cyclohexan-Adsorption untersucht. Anhand der Reinstoffisothermen wird das Trennpotential der hergestellten Feststoffe für die adsorptionsbasierte Separation der beiden organischen Dämpfe durch verschiedene literaturbekannte Methoden evaluiert. Letztlich befasst sich diese Arbeit am Beispiel der HCPs mit der Frage, inwiefern die strukturelle Integrität der Adsorbentien die Messung und Interpretation von Adsorptionsisothermen beeinflusst. Unter Berücksichtigung der Kinetik einzelner Isothermenpunkte wird eine neue Strategie zur Analyse von Adsorptionsisothermen vorgeschlagen. Diese Herangehensweise ermöglicht es, die Gesamtadsorption auf mehrere Prozesse unterschiedlicher Zeitskala aufzuteilen. Im Falle der HCPs lassen sich neben der klassischen Adsorption auch signifikante Einflüsse von Quellung des flexiblen Netzwerks identifizieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Adsorption processes are of great interest for a diversity of technical applications such as gas storage or adsorption-based separation processes. While in the past classical materials like zeolites and activated carbons with rigid network properties were widely used, nowadays, the potential of novel microporous materials like MOFs, COFs and different kinds of polymer networks such as HCPs is investigated. The possibility to easily exchange reactants during their synthesis allows to create adsorbents with ideal adsorbent-adsorbate interactions, tailormade for the desired application. Those novel adsorbents, however, display completely different network properties especially in terms of rigidity compared to the classical ones, leading to swelling and structural network changes upon adsorption. This behavior can prevent the adsorption process from reaching its thermodynamic equilibrium. Nevertheless, physisorption measurements, which, by the definition, are supposed to describe the thermodynamic adsorption equilibrium, are still the state-of-the-art method when it comes to the characterization of microporous flexible materials as well as evaluating their potential for specific applications. In this work, adsorbents are prepared from two different classes of materials: hyper crosslinked polymers (HCPs) and metal-organic frameworks (MOFs). Using benzene-, naphthalene- and anthracene-based building blocks to form the respective networks, the impact of the extension of the delocalized π-electron system on the adsorbent’s chemical surface properties is investigated by the adsorption of benzene and cyclohexane vapor. Additionally, various methods from literature are applied to the pure isotherms to evaluate the potential of the prepared adsorbents for the application in adsorption-based separation processes. Lastly, this work addresses the question of how the structural integrity of flexible adsorbents affect the measurement and interpretation of adsorption isotherms, using HCPs as an example. We propose a new strategy to analyze adsorption isotherms by taking the kinetics of each isotherm data point into account. This approach allows the separation of the adsorption process into at least two subprocesses of different time scales. In the case of HCPs, significant influences of swelling of the flexible network can be identified in addition to classical adsorption.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-265546
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie > Technische Chemie II
Date Deposited: 31 Jan 2024 13:09
Last Modified: 05 Feb 2024 07:10
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/26554
PPN: 515217050
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