TP 7: Simultane Polymerisation von Zwillingsmonomeren mit Übergangsmetallverbindungen zu poröse Materialien beladen mit Metall-/ Metalloxid-Nanopartikeln (1. FP)

Im Rahmen des Teilproektes "Simultane Polymerisation von Zwillingsmonomeren mit Übergangsmetallverbindungen zu poröse Materialien beladen mit Metall-/Metalloxid-Nanopartikeln" wird die Darstellung von nanoporösen, monolithischen Materialien, die Metall- (M = Ag, Au, Pd, Pt, Rh, ...) bzw. Metalloxid-NP (NP = Nanopartikel) (M_xO_y = Mn₂O₃, Fe₃O₄, Co₂O₃, NiO, ...) enthalten, durch simultane Zwillingspolymerisation bearbeitet.
Die Generierung der NP erfolgt ausgehend von Metall-Oligo-/Polyethylenglykolcarboxylaten. Als Zwillingsmonomere für die Darstellung der orgrganischen und oxidischen Polymere (SiO₂, B₂O₃, TiO₂, ...) kommen z. B. Tetrafurfuryloxysilan sowie Siliciumspiroverbindungen des Salicylalkohols zum Einsatz. Durch Calcinierung (Luft) oder Carbonisierung (Inertgas) sollen anorganische Nanokomposite mit sehr enger Porenradienverteilung und großer spezifischer Oberfläche hergestellt werden.

• Variation der Strukturparameter der Ausgangsverbindungen zur Erarbeitung eines allgemeinen Prinzips zur Synthese poröser monolithischer Systeme
• Untersuchung der erzeugten Nanohybridmaterialien in der heterogenen Katalyse (Isomerisierung, Hydrierung, Hydroformylierung)

Die Synthese von Kohlenstoff-gekapselten (Edel-)Metall-NP. Einerseits wird von graphitischen Kapseln ausgegangen, welche mit dem entsprechenden Metallprecursor zunächst gefüllt und anschließend thermisch behandelt werden. Ein zweiter Ansatz beinhaltet die Verwendung Initiator-modifizierter Metall-NP, die durch Zugabe der genannten Zwillingsmonomere einer simultanen Zwillingspolymerisation unterworfen werden. Anschließend erfolgt die Carbonisierung und im Falle von SiO₂ die HF- oder NaOH-Behandlung, was zu den in porösem Material eingehüllten Metall-NP führt.

• Untersuchung der Nanohybridkapseln auf die Anwendbarkeit im medizinischen Bereich bzw. in der Sensorik

         Zr- und Hf-haltige Zwillingsmonomere

• Neue Zwillingsmonomere auf der Basis von Zirkonium und Hafnium konnten erfolgreich dargestellt werden. Während der Zwillingspolymerisation zeigte sich, dass die Zr-haltigen Monomere problemlos polymerisierbar sind. Allerdings kommt es aufgrund des hohen Anteils der anorganischen Komponente im Hf-haltigen Zwillingspolymer zur Phasenseparation. Durch Zwillingscopolymerisation mit bekannten Monomeren konnten amorphe hochporöse SiO₂/ZrO₂-Materialien erhalten werden. Durch weitere thermische Behandlung war es zudem möglich tetragonale ZrO₂ und HfO₂ Nanopartikel innerhalb der Siliciumdioxidmatrix zu generieren.

         Ag Nanopartikel über Zwillingspolymerisation

• Durch die Entwicklung einer geeigneten Vorstufe konnten Silbernanopartikel innerhalb einer Siliciumdioxid- oder Kohlenstoffmatrix dargestellt werden. Unter Zuhilfenahme der Zwillingspolymerisation können homogen verteilte Silberpartikel mit einem Durchmesser von unter 5 nm realisiert werden. Der generierte mikroporöse Kohlenstoff verhindert zusätzlich das Sintern der Nanopartikel. Das hohe Oberflächen-Volumen-Verhältnis bietet gute Voraussetzungen für den Einsatz in der Katalyse.

         Metallnanopartikel gefüllte Kohlenstoffhohlkugeln

• Durch Modifikation etablierter Synthesemethoden gelang es Metallnanopartikel in Kohlenstoffhohlkugel zu verkapseln. Dabei kann gezeigt werden, dass der verwendete Templatdurchmesser einen elementaren Beitrag zur erfolgreichen Verkapselung hat, wird dieser zu klein gewählt, kommt es zur Interkalation der Metallnanopartikel zwischen den einzelnen porösen Hohlkugeln. Die Eisenoxidnanopartikel innerhalb der Hohlkugeln zeigen paramagnetisches Verhalten, während es im Fall der Silber- und Gold-Nanopartikel möglich ist, durch Verwendung geeigneter Benchmarkreaktionen, die Zugänglichkeit sowie katalytische Aktivität der eingebrachten Nanopartikel zu zeigen.

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