Zusammenfassung - Forschung der Abteilung GFP 2009/2010 (Auszug)

Die Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Grenzflächenphysik und die darin eingebundenen Qualifizierungsarbeiten von Studenten und Doktoranden liegen im wesentlichen auf der Weiterentwicklung unserer Kompetenzen in der experimentellen Charakterisierung der Wechselwirkung von Molekülen mit festen inneren Grenzflächen. Schwerpunktmäßig werden verschiedene NMR-Techniken sowie die IR- und Interferenzmikroskopie eingesetzt, um molekulare Transport- und Speicherphänomen in porösen Materialien zu erforschen.

Mit der Mehrzahl der einzelnen Forschungsprojekte tragen wir entscheidend zu internationalen und nationalen Forschungsverbünden bei. Im Rahmen des Internationalen Graduiertenkollegs (IRTG) „Diffusion in Porösen Materialien“, das eine eigenständige Klasse innerhalb der Research Akademie Leipzig (RAL) bildet,  und des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1632 „Metallorganische Gerüstverbindungen“ (MOF) wird das Methodenspektrum der Abteilung auf die Substanzklasse poröser Festkörper angewandt. Diese erfolgreichen Arbeiten führten u.a. zur Beteiligung von Wissenschaftlern der Abteilung Grenzflächenphysik an einem 2009 eingerichteten Kooperationsprojekt zwischen der Europäischen Union und Indien, in dem innovative Materialien zur Abtrennung des Treibhausgases Kohlendioxid aus Rauchgasen entwickelt und erforscht werden (AMCOS-Projekt).

Frank Stallmach

Bearbeitete Forschungsprojekte 2009/2010 (Auswahl)

Internationales Graduiertenkolleg „Diffusion in porösen Materialien“

International Research Training Group „Diffusion in Porous Materials“

Sprecher: Prof. Dr. Roger Gläser (roger.glaeser@chemie.uni-leipzig.de, Technische Chemie, Universität Leipzig);stellv. Sprecher: PD Dr. Frank Stallmach

Diffusion, d. h. die ungeordnete Bewegung von Teilchen aufgrund ihrer thermischen Energie, ist ein grundlegendes Phänomen in der Natur. In porösen Stoffen ist die Diffusion von Poreninhaltsstoffen einer der entscheidenden Prozesse für den praktischen Nutzen dieser Materialien. An diesem Internationalen Graduiertenkolleg sind Wissenschaftler des Niederländischen Instituts für Katalyseforschung und der Universität Leipzig beteiligt. Gegenstand der Arbeiten in Forschung und Lehre ist der molekulare Stofftransport in porösen Materialien. Mittels theoretischer Grundlagenuntersuchungen und hochentwickelter Messtechniken werden Beiträge zur Erforschung dieser Hochtechnologie-Materialien und zu ihrer Anwendung in modernen technologischen Prozessen erarbeitet.

Schwerpunkte der Forschungsaktivitäten des Konsortiums sind die Weiterentwicklung der NMR-Methodologie (A), mesoporöse Materialien, insbesondere im Hinblick auf Phasenumwandlungen und deren technischen Nutzen (B), die Dynamik in maßgeschneiderten Poren (C), die Erforschung der Porenregularität (D), die Bedeutung der Porendiffusion für unsere Umwelt (E) und die theoretische Betrachtung der Porendiffusion durch molekulare Modellierung und analytische Behandlung (F).

Weiterführung: Ja

Finanzierung: DFG GRK 1056 (Internationales Graduiertenkolleg, IRTG)

Fundamental Host-Guest Interactions in Porous MOF. A Combined Experimental and Theoretical Approach

Grundlegende Wirt-Gast-Wechselwirkungen in porösen MOF. Kombinierte experimentelle und theoretische Untersuchungen.

PD Dr. Frank Stallmach, DP Markus Wehring, Cand.-Phys. Stefan Hertel, Stefan Schlayer, Dr. Rochus Schmid (Ruhr-Universität Bochum, Bochum), Prof. Randal Q. Snurr (Northwestern University, Everston, USA)

Im Forschungsprojekt werden grundlegende Wechselwirkungen von Sorbatmolekülen in porösen metall-organischen Gerüstverbindungen (MOF) untersucht. Dazu werden Selbstdiffusionskoeffizienten für verschiedene Wirts-Gast-Systeme mit PFG NMR Methoden und MD-Simulationen bestimmt und verglichen. Schwerpunkt der methodischen Arbeiten bilden die Weiterentwicklungen der MAS PFG NMR und der Diffusionskorrelations-NMR mit hohen gepulsten Feldgradienten sowie die Berechnung konsistenter molekülmechanischer Kraftfelder für unterschiedlichste MOF-Systeme mit Hilfe einer neuartigen automatisierten Parametrisierungstechnik. Diese Methoden werden zur Untersuchung des Diffusionsverhaltens einer Reihe unterschiedlicher Sorbatmoleküle (darunter auch Mehrkomponentensysteme) in MOFs herangezogen.

Weiterführung: Ja

Finanzierung: DFG-Projekt STA 648/1-1, innerhalb des DFG SPP 1632 „Metall-organische Gerüstverbindungen“

13C PFG NMR-Untersuchungen an innovativen Materialien für die Abtrennung von Kohlendioxid aus Rauchgasen

13C PFG NMR studies with advanced Materials as CO2 removers

PD Dr. Frank Stallmach, DP Anne Kristin Pusch, Cordula Krause, Dr. Hevre Jobic (CNRS Universität Lyon, Frankreich), Prof. Dr. Doros Theodoru (NTU Athen, Griechenland), Dr. Rajesh B. Biniwale (ICT Matuga, Mumbai, Indien)

Die Diffusion von Kohlendioxid und von Gasgemischen mit Kohlendioxid-Anteil wird in Adsorbentien, die auf der Basis von neuartigen mikroporösen kristallinen Koordinationspolymeren bzw. amorphen Polymeren von den indischen Kooperationspartnern synthetisiert werden, untersucht. Dazu werden die experimentellen Voraussetzungen für 13C PFG NMR-Messungen (Universität Leipzig) und QENS-Messungen (CNRS Universität Lyon, Frankreich) der Kohlendioxiddiffusion geschaffen. Diese Messdaten dienen der Optimierung von Computer-Modellen, die von den indischen und weiteren europäischen Kooperationspartnern entwickelt werden, um die molekularen Prozesse, die das Speicher- und Transportvermögens dieser Adsorbentien bestimmen, zu zu verstehen. Ziel des Kooperationsprojektes ist es, unter der Vielzahl neuartiger Adsorbentien diejenigen zu identifizieren, die für den Einsatz in technischen Prozessen für die Abtrennung des Klimagases Kohlendioxid aus Rauchgasen geeignet sind.

Weiterführung: Ja

Finanzierung: EU-Projekt (Teilprojekt) innerhalb des EU-Indien Kooperationsprojekts „Advanced Materials as CO2 Removers – AMCOS“, EU-Grant Agreement No. 233502

NMR-Untersuchungen der Wechselwirkung von Kohlendioxid mit wassergesättigten Lagerstättengesteinen unter hohen statischen Gasdrücken

NMR studies of interaction of CO2with reservoir rocks under elevated gas pressures

PD Dr. Frank Stallmach, DP Carsten Horch, DG Ivonne Mitreiter, Stefan Schlayer, Dr. habil. Grit Kalies, Pim Donkers (TU Eindhoven, Niederlande), Prof. Dr. Klaas Kopinga (TU Eindhoven, Niederlande)

Die bei der Kohlendioxid-Sequestrierung in untertägigen Gesteinsformationen ablaufenden Sättigungsänderungen am System Gestein/Porenwasser/Gas werden in Experimenten im Labormaßstab nachgestellt. Dazu wurden eine Druckzelle und ein NMR-Sensor entwickelt, die unter bis zu 200 bar statischen Gasdruck Niedrigfeld-NMR-Untersuchungen bei 5,1 MHz 1H-Resonanz an porösen Gesteinsproben mit 2 cm Durchmesser erlauben. Erste Ergebnisse zeigen, dass durch die Lösung des Kohlendioxids und die damit verbundenen ph-Wert Erniedrigung in der wässrigen Phase sich die transversalen Relaxationszeiten des Porenwassers deutlich ändern. Diese Änderungen beruhen auf dem Herauslösen mineralischer Phasen aus der inneren Oberfläche der Gesteinsporen und werden gegenwärtig genauer quantifiziert und erforscht.

Weiterführung: Ja

Finanzierung: DFG GRK 1056, International Research Training Group "Diffusion in Porous Materials"

Innovative Zugabestoffe für die Innere Nachbehandlung von Hochleistungsbeton unter Berücksichtigung der räumlichen und zeitlichen Wasserbilanz.

Advanced materials for internal curing of high-performance concrete

PD Dr. Frank Stallmach, Prof. Dr. J. Kärger, Dr.Karen Friedemann, DP Carsten Horch, Cand.-Phys. Andreas Kühn

Für die innere Nachbehandlung von Hochleistungsbetonen werden innovative und nachhaltige Zugabestoffe auf der Basis von Polysacchariden entwickelt und angewendet. Diese Zugabestoffe sind in der Lage, Wasser in Form von Hydrogelen zu binden. Sie müssen ein möglichst großes Wasserspeichervermögen aufweisen und einen zeit- und mengenmäßig definierten irreversiblen Feuchteübergang aus dem Hydrogel in die Zementsteinmatrix garantieren. Als Untersuchungsverfahren für den Feuchteübergang wird die NMR-Relaxometrie eingesetzt, mit der dieser Prozess zerstörungsfrei und mit hoher Zeitauflösung beobachtet werden kann.

Weiterführung: Ja

Finanzierung: DFG-Projekt KA 953/22-2