Pseudomorphe Synthese und isomorphe Substitution von mesoporösen MCM-41-Materialien (eBook)

Julia Patzsch, geboren 1986 in Leipzig, schloss bereits mit 17 Jahren ihre Schulausbildung mit dem Abitur ab. Im Anschluss begann sie mit dem Studium der Chemie, welches sie fünf Jahre später mit dem akademischen Grad des Master of Science beendete. Bereits während ihres Studiums wurde die technische Chemie ein Interessenschwerpunkt. Das vorliegende Buch umfasst die Masterarbeit in diesem Bereich. Seit Anfang 2010 ist sie Mutter eines Kindes und plant nun ihre Karriere mit der Promotion fortzusetzen.

Pseudomorphe Synthese und isomorphe Substitution von mesoporösen MCM-41-Materialen 1
Inhaltsangabe 3
Danksagung 4
Inhaltsverzeichnis 5
Abkürzungsverzeichnis 7
1 Einführung und Aufgabenstellung 9
2 Theoretische Grundlagen 11
2.1 Mesoporöse Silikatmaterialien 11
2.2 Materialien der M41S-Familie 12
2.2.1 Synthese 13
2.2.2 Bildungsmechanismus 14
2.3 Sphärische MCM-41-Materialien 16
2.3.1 Synthese 16
2.3.2 Anwendung 18
2.4 Charakterisierung 20
2.4.1 Textur 20
2.4.2 AI-MAS-NMR 23
2.4.3 Röntgenpulverdiffraktometrie 23
2.4.4 Elektronenstrahlmikrosonde 24
2.4.5 Temperaturprogrammierte Desorption 25
3 Experimenteller Teil 26
3.1 Eingesetzte Chemikalien 26
3.2 Transformationssynthese zur mechanistischen Aufklärung 26
3.3 Transformationssynthese mit isomorpher Substitution von Fremdatomen 27
3.4 Direktsynthese nach Selvaraj et al. und Goepel 27
3.5 Charakterisierung 28
3.5.1 Texturbestimmung 28
3.5.2 Röntgenpulverdiffraktometrie 29
3.5.3 AI-MAS-NMR 29
3.5.4 Elektronenstrahlmikrosondemessung 29
3.5.5 Temperaturprogrammierte Desorption 30
4 Ergebnisse und Auswertung 31
4.1 Mechanistischer Ablauf der Transformation 31
4.2 Isomorph substituierte MCM-41-Materialien 38
4.3 Isomorphe Substitution durch Chrom, Mangan, Molybdän, Titan und Wolfram 42
4.4 Isomorphe Substitution durch Vanadium 44
4.5 Isomorphe Substitution durch Aluminium 48
4.5.1 Strukturelle Charakterisierung 48
4.5.2 Aluminiumgehalt und -koordination 53
5 Zusammenfassung 60
Literaturverzeichnis 62

Kapitel 2.3.2, Anwendung: Eine mögliche Hauptanwendung von MCM-41-Materialien stellt der Einsatz in der HPLC (High Performance Liquid Chromatography) als stationäre Phase aufgrund ihrer texturellen Eigenschaften dar. Die hohe spezifische Oberfläche führt zu hohen Retensionszeiten, während das geordnete Porensystem durch die höhere und homogenere molekulare Diffusion die Effizienz für hohe Flussraten verbessert. Dies eröffnet die Möglichkeit der schnelleren Komponententrennung ohne signifikanten Effizienzverlust. Bereits 2000 zeigten Thoelen et al. mit sphärischem MCM-41-Material dessen möglichen Einsatz in der Racematauftrennung aufgrund der hohen Auflösung und guten Effizienz bei geringem Eingangsdruck. Sie hatten sie auf der Basis des Stöberprozesses synthetisiert und anschließend die Oberfläche mit (R)-Naphthylethylamin modifiziert. Auf der Grundlage ihrer Entdeckung von vorgeformten, kommerziell erhältlichen Silikatsphären als Silikatquelle für die MCM-41-Synthese und den daraus resultierenden, verbesserten Produkteigenschaften, konnte die Gruppe um Martin zeigen, dass diese vergleichbare Trennergebnisse liefern wie kommerziell erhältliche Trennsäulen. Dazu funktionalisierten sie die aus der Synthese erhaltenen Sphären nach bekannten Verfahren mit Octylketten. Aus der ermittelten Retentionszeit und Peakbreite schlossen sie auf Eignung als HPLC-Material. Ein weiterer Anwendungsbereich ergibt sich aus der isomorphen Substitution durch Fremdatome. Von solchen spricht man, wenn es sich nicht um Silizium oder Sauerstoff handelt. Im Bereich der nicht sphärischen MCM-41 konnten bereits eine Vielzahl von Fremdatomen in die Struktur eingebaut werden. MCM-41 selbst weist keine oder kaum aktive Zentren auf und lässt sich somit je nach Art des Fremdatoms mit sauren oder redoxaktiven Zentren modifizieren. Daraus ergeben sich eine Vielzahl von möglichen katalytischen Anwendungen (siehe Tab. 1). Je nach eingesetztem Metall unterscheidet sich das Funktionsprinzip der Katalysatoren. Elemente der Hauptgruppen besitzen hauptsächlich sauer bzw. basisch aktive Zentren, deren katalytische Wirkung auf den Elektronenpaardonor- oder Elektronenpaarakzeptoreigenschaften beruht. Sie werden durch das klassische Säure-Base-Konzept beschrieben und daher auch als Lewis- oder Brønsted-azide Zentren bezeichnet. Die Übergangsmetalle wirken im Gegensatz dazu in Katalysatoren hauptsächlich redoxaktiv. Durch die Änderung ihrer Oxidationszahl ermöglichen sie Einzelelektronenübergänge und somit die Ausbildung von Substrat-Katalysator- bzw. Produkt-Katalysator-Komplexen.