Überblick

Die innere Größe macht’s

Moleküldiffusion in nanoporösen Materialien

  • Jörg Kärger, Christian Chmelik und Rustem Valiullin
  • 04 / 2013 Seite: 39

In den letzten Jahrzehnten haben nanoporöse Materialien die Technologien zur Stoffumwandlung und -veredelung revolutioniert, da sie aufgrund der riesigen inneren Oberfläche beispielsweise eine sehr effiziente Katalyse erlauben. Ungeachtet der enormen wirtschaftlichen Bedeutung stehen aber erst seit Kurzem mikroskopische Messtechniken zur Verfügung, die einen Einblick in die Vorgänge im Inneren der Poren gestatten – mit einigen überraschenden Ergebnissen.

Das Aufspalten von langkettigen in kürzere Kohlenwasserstoffe ist essenziell, um Erdöl in Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel umzuwandeln. Dieses „Cracken“ ist ein Beispiel dafür, wie sich Stoffe durch Trennung und katalytische Umwandlung veredeln lassen. Seit der Mitte des vorigen Jahrhunderts haben sich diese und ähnliche Technologien grundlegend gewandelt dank der Verfügbarkeit nanoporöser Materialien. Aufgrund ihrer enormen inneren Oberfläche von über 1000 Quadratmetern pro Gramm bewirken diese eine sehr intensive Wechselwirkung zwischen „Gastmolekülen“ und „Wirtsystem“ und lassen sich mit passgenauen Porendurchmessern für das jeweilige Zielprodukt „maßschneidern“. So ermöglichen die räumliche Beschränkung im wohldefinierten Poren­system und katalytisch aktive Oberflächen, Erdöl besonders kostengünstig und umweltverträglich in hochwertige Kraftstoffe umzuwandeln. Allein im Bereich der Erdölveredlung liegen die damit verbundenen Einsparungen im Bereich von zehn Milliarden Euro pro Jahr weltweit. Leistungsfähigere Materialien dank neuer Synthese­wege und ein immer besseres Verständnis der Elementarprozesse sorgen für eine bis heute anhaltende stürmische Entwicklung.

Der Ertrag an veredelten Stoffen kann nie größer sein, als es die Geschwindigkeit des Stofftransports zulässt. Daher ist es gerade auch in ökonomischer Hinsicht unerlässlich, die dem Transport in solchen Materialien zugrunde liegenden Mechanismen zu erkunden und zu quantifizieren. Wirtsysteme mit wohldefinierter Porosität sind als mikrometergroße Kristallite verfügbar, die für ihren technischen Einsatz zu größeren Formkörpern verpresst werden. Durch eine geeignete Dimensionierung dieser Körper lassen sich alle äußeren Transportwiderstände hinreichend klein halten, sodass die Aufnahme und Abgabe von Stoffen an den einzelnen Kristalliten die Geschwindigkeit bestimmt. Aufgrund ihrer geringen Größe ließ sich der Stofftransport im Inneren der Kristallite über Jahrzehnte hinweg meist nur indirekt untersuchen, z. B. indem man die „makroskopische“ Massenzunahme bei Druck­erhöhung in der umgebenden Gasphase beobachtete und dabei gewisse Modellannahmen zum Mechanismus des Stofftransports berücksichtigte. ...

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