Schockgefrierbasierte Herstellung und Charakterisierung von aus Nanopartikeln bestehenden Gelmaterialien mit variabler Netzwerkstruktur

Abstract

In dieser Doktorarbeit wurden Aerogelmaterialien aus verschiedenen Edelmetall-nanopartikeln unter Verwendung der Cryoaerogeliertechnik hergestellt. Zu diesem Zweck wurden hochkonzentrierte Nanopartikeldispersionen blitzartig eingefroren und gefriergetrocknet, wodurch schließlich hochporöse Gelnetzwerke mit riesiger, innerer Oberfläche gebildet wurden. Im Vergleich zu herkömmlichen Geliermethoden bietet die Cryoaerogelierung dabei den einschlägigen Vorteil, einen Einfluss auf die Form des resultierenden Materials zu nehmen. Unter dieser Voraussetzung wurden gezielt dünne Beschichtungen aus Aerogelen hergestellt, ohne dazu – wie weitestgehend üblich – Bindemittel zu verwenden oder das monolithische Gel zu zerstören. Zum ersten Mal wurden hier die Parameter während des Gefrierprozesses variiert, wodurch ein signifikanter Einfluss auf die Eigenschaften des resultierenden Gelmaterials genommen werden konnte. Durch gezielte Kontrolle der Gefrierdauer, Gefriertemperatur und des Gefriermediums konnten so vielfältige Mikrostrukturen für Cryoaerogele erhalten und in ihrer Stabilität verbessert werden. Die Edelmetallnanoaerogele wurden des Weiteren erstmalig in der Elektrokatalyse angewendet und auf ihre Eignung als Katalysator für die Ethanoloxidation getestet. Aufgrund ihrer deutlich vergrößerten Oberfläche zeichneten sich alle Cryoaerogele dabei mit einer stark verbesserten, katalytischen Leistung im Vergleich zu herkömmlichen, luftgetrockneten Beschichtungen aus dichtgepackten Nanopartikeln aus. Darüber hinaus konnten durch das Einfrieren mit höheren Geschwindigkeiten Cryoaerogelstrukturen erhalten werden, die eine noch größere Oberfläche bzw. katalytische Aktivität aufwiesen als die nach den etablierten Standardbedingungen fabrizierten Cryoaerogele. Mit Blick auf die Anwendung in nasschemischen Bereichen wurden zuletzt außerdem Gelmaterialien hergestellt, die analog zur Cryoaerogelierung eingefroren, im Gegensatz dazu jedoch anschließend aufgetaut wurden. Diese „Cryohydrogele“ zeigten vergleichbar hervorragende strukturelle und katalytische Eigenschaften, konnten für eine Anwendung in nasschemischen Bereichen aber leichter und schneller als Cryoaerogele hergestellt bzw. verwendet werden.