Untersuchung der Kondensation von Dämpfen und ihrer Permeation in Kohlenstoff-Nanomembranen

• Antragsteller: Dr. Peter Dement
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459401588

Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphenoxid und andere nanostrukturierte Kohlenstoffmaterialien sind dafür bekannt, dass sie faszinierende Stofftransporteigenschaften aufweisen, wie z.B. ultraschnelle Permeation von Wasser. Dieser kollektive "Single-File-Transport“ in Kohlenstoff-Nanokanälen wird dem reibungsfreien Fluss von durch Wasserstoffbrücken verbundenen Molekülen zugeschrieben und wurde in verschiedenen Trennanwendungen beobachtet. Insbesondere wasserselektive Graphitmembranen scheinen vielversprechend, um wässrige Azeotrope zu trennen und organische Lösungsmittel zu entwässern. Gaspermeationsstudien haben gezeigt, dass sogar Wasserdampf zum kollektiven Transport fähig ist, was auf seine leichte Verflüssigung innerhalb der Membranporen hinweist. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass die Fähigkeit der Nanokohlenstoffe, Wasserdampf durchzulassen, von Druck, Temperatur und der Zusammensetzung der zu trennenden Gemische abhängt. Es wird angenommen, dass die Adsorption und Kondensation der dampfförmigen Spezies an der Membranoberfläche ihrer Permeation vorausgeht. Das 'LANGMUIR'-Projekt zielt darauf ab, die molekulare Verflüssigung in Kohlenstoff-Nanomembranen (CNMs) und ihre Auswirkungen auf die Transmembran-Diffusion zu untersuchen. Struktur- und Transporteigenschaften von Modell-CNMs wurden bereits untersucht. Im beantragten Projekt sollen Adsorptionsisothermen mittels Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (PM-IRRAS) mit Polarisationsmodulation gemessen werden. Die mit Wasser und Alkoholen erhaltenen Spektraldaten werden mit unseren früheren Ergebnissen zur Dampfpermeation in freistehenden CNMs korreliert. Temperaturabhängige Messungen sollen die Energetik von Gas-Oberflächen-Wechselwirkungen untersuchen, und es wird erwartet, dass Experimente mit Mischungen Aufschluss über das Aufbrechen des kollektiven Transports von Wasser geben werden. Darüber hinaus soll ein Permeationsmessaufbau erweitert werden, um Transportstudien bei niedrigen Temperaturen zu ermöglichen. Tieftemperaturexperimente mit Ammoniak und Propan sollen den Einfluss von Oberflächenprozessen auf die Permeation kondensierbarer Gase zeigen. Die vorgeschlagenen Arbeiten sollen direkte Beweise für das Konzept der adsorptionskontrollierten Permeation (ACP) liefern und die Validierung der entwickelten kinetischen Modelle ermöglichen. Das 'LANGMUIR'-Projekt hat weitreichende Auswirkungen auf die Membran-, Grenzflächen- und Nanofluidik-Forschung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen