Synthesis of mesoporous metal oxides and their characterization combining small-angle scattering and gas physisorption methods

Abstract

Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Synthese von mesoporösen Metalloxid-Materialien und deren Charakterisierung durch Kombination von Kleinwinkelstreuung und Physisorption.Der erste Teil beschäftigt sich mit der Herstellung von mesoporösen Silizium- und Titandioxiden durch Templatierung von neuartigen Blockcopolymeren. Da diese Makromoleküle besonders große Mizellen bilden, die als porogenes Agens agieren, ist ihre Nutzung sehr interessant für die potentiellen Anwendungen dieser Materialien in Katalyse, Photovoltaik oder als Sensoren. Das Templatierungverfahren wurde im Detail durch die Änderung des Polymeranteils und die Erzeugung von unterschiedlichen Systemen (dünne Schichte, Pulver, hierarchische Netzwerke) untersucht. Darüber hinaus wurden dünne, mesoporöse TiO2-Schichten als Halbleitern in farbstoffsensibilisierten Solarzellen getestet, und sie zeigten interessante und aussichtsvolle Ergebnisse in Vergleich mit den nanopartikulären TiO2 Schichten. Komplizierte Strukturen wie die hierarchischen, porösen Materialien können nicht im Detail mit Standard-Charakterisierungsmethoden (TEM, SAXS, N2 physisorption) erforscht werden, da wichtige Informationen wie die Zugänglichkeit des porösen Netzwerks und die Verbindung zwischen die Poren unbekannt sind. Solche Fragen konnten durch die Kombination von Kleinwinkelstreuung (SAXS und SANS) und Physisorptions-methoden, nämlich in situ SAXS/SANS-Physisorption, beantwortet werden. Die Verlässlichkeit dieser Methode wurde mit der Charakterisierung der Mikropören als alternativem Weg bezüglich der N2-Physisorption überprüft.Die in-situ SAXS/SANS-Physisorption zeigt mehrfache Anwendungsperspektiven, da man verschiedene Gase bei unterschiedlichen thermodynamischen Konditionen adsorbieren kann. Die Struktur des Netzwerks von zwei ähnlichen mesopörosen Silicas, nämlich PIB-IL und KLE-IL, konnte im Detail geklärt werden durch Verwendung zweier organischer Moleküle, Perfluoropentan und Dibromomethan, die verschiedenen Größen haben.Außerdem wurden die Porosität und die Struktur von periodischen mesoporösen Organosilica-(PMO)-Materialien mit Hilfe von in situ SAXS/SANS-Physisorption untersucht. Solche Materialien haben eine post-synthetische Funktionalisierung mit chiralischen Aminosäure und finden potentielle Anwendungen in der Chromatographie. Die Charakterisierung mit dieser kombinierten Methode erlaubte es, die Zugänglichkeit dieser PMOs und die homogene Verteilung der organischen Teile zu überprüfen.