Eine einstellbare Herstellungsplattform für maßgeschneiderte poröse Multikompositmaterialien zur Steigerung der Effektivität von (elektro)katalytischen Umwandlungen

• Antragsteller: Dr. Lukas Fischer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530864107

Poröse Materialien sind Hauptkomponenten in Technologien, die den Bedarf an grüner Energie decken (Elektroden zur CO2-Reduktion) oder die zunehmende Umweltverschmutzung und Frischwasserknappheit bekämpfen könnten (katalytische Membranen für Abwasserbehandlung). Für diese Anwendungen werden hochporöse Komposite benötigt, in die aktive Spezies wie katalytische Metallnanopartikel eingebaut sind. Mit den meisten Methoden ist bislang die Kontrolle über die poröse Struktur und über die chemische Umgebung der katalytischen Zentren nur begrenzt möglich. In diesem Projekt wird ein Verfahren auf der Grundlage des Film-Castings und anschließender Phasenseparation zu einer Plattform weiterentwickelt, die es ermöglicht poröse Multikompositmaterialien (PMCMs) mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen. Funktionelle Partikel und Polymere werden in die PMCMs katalytisch aktive Zentren, elektrische Leitfähigkeit, Adsorptionsstellen, Ionenaustausch Eigenschaften sowie eine Verankerungsfunktion einbauen, um in Kombination zu synergistischen Effekten zu führen. In seiner veröffentlichten Vorarbeit hat der Antragsteller bereits die Synthese von porösen Filmen auf Basis von Polyethersulfon gezeigt, in die Nickel-Nanopartikel, Kohlenstoff-Nanopartikel und positiv geladenes Ionomer eingebaut wurden. Abhängig von den Bedingungen der Phasenseparation wurden unterschiedliche Porenstrukturen geformt, und es konnte ein hoher Einbau an Komponenten erzielt werden. Durch den Einsatz dieser PMCMs als Durchflussmembranreaktoren für den kontinuierlichen Abbau von p-Nitrophenol konnte der Antragsteller zeigen, dass die Zugabe von Kohlenstoffpartikeln und kationischem Ionomer die Nickel-Mikroumgebung im Material optimierte, was zu einer bis zu zehnmal höheren Umsatzfrequenz im Vergleich zu den isoliert eingesetzten Nickelpartikeln führte. Die Kohlenstoff-Nanopartikel brachten auch elektrische Leitfähigkeit in die porösen Filme ein, und PMCMs mit Kupfer als Katalysatorpartikel wurden bereits erfolgreich als Gasdiffusionselektroden für die Elektroreduktion von CO2 eingesetzt. Zu Beginn des Projekts wird diese neue Methode optimiert, um die Morphologie und die chemische Zusammensetzung unabhängig voneinander einstellen zu können. Von besonderem Interesse ist die Untersuchung der Phasenseparation dieses komplexen Systems und wie die verschiedenen Komponenten in die Polymermatrix eingebaut werden. Die daraus resultierenden neuen PMCMs werden als katalytische Membranen für die Hydrodechlorinierung von Abwasser und als Elektroden in der elektrokatalytischen CO2-Reduktion eingesetzt, wobei der Schwerpunkt auf für die entsprechende Anwendung maßgeschneiderten Materialien liegt. Darüber hinaus bildet dieses Projekt die Grundlage für die Etablierung dieser neuartigen PMCMs als aktive poröse Materialien, die in späteren Projekten als heterogene Katalysatoren für anspruchsvolle Reaktionen oder zusätzlich als Elektroden in Wasserelektrolyseuren oder Batterien eingesetzt werden könnten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professorin Dr.-Ing. Corina Andronescu; Professor Dr. Mathias Ulbricht