Theorie von Zeolithen und verwandten Materialien

Zeolite sind mikroporige kristalline Aluminosilikate mit periodischen Anordnungen von Kanälen und Poren die in der Industrie als Katalysatoren, Speichermaterialien, molekulare Siebe und Ionen-Tauscher vielfache Verwendung finden. Darüber hinaus werden dünne Zeolit-Schichten für mögliche Anwendungen als selektive Membrane, chemische Sensoren, und als Komponenten in der Mikroelektronik in Betracht gezogen. Das Gerüst, das die Poren und Kanäle umgibt (deren Durchmesser etwa den Abmessungen kleiner Molküle entspricht), ist aus SiO4 Tetraedern aufgebaut, wobei einige der Si Atome durch Al ersetzt sind. Die für Si substituierten Al Atome induzieren eine negative Ladung des Gerüsts, die durch positiv geladene Metall-Ionen oder Protonen in den Poren ausgeglichen wird. Diese Kationen verleihen den Zeoliten ihre besondere Eignung als Ionen-Tauscher und ihre einzigartige Funktionalität als Größen- und Gestalt-selektive Katalysatoren. Seit 1962 Zeolite erstmals als Katalysatoren verwendet wurden, gibt es intensive Anstrengungen, ihre Strukturen und chemischen Eigenschaften besser zu verstehen und ihr chemisches Verhalten durch die Veränderung der Gerüst-Struktur, des Si/Al Verhältnisses oder durch die Einbringung saurer, basischer oder redox-aktiver Metall-Ionen gezielt zu beeinflussen. Gegenwärtig wird unser Verständnis katalytischer Prozesse in Zeoliten durch die Anwendung von Computer- Simulations Methoden revolutioniert. Diese Methoden sind in der Lage, mit immer besserer Genauigkeit und Verlässlichkeit die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Materialien vorauszusagen. Die fortgeschrittensten dieser Methoden basieren auf der Dichte-Funktional Theorie (DFT). Die Anwendung dieser Methoden auf Materialien und Prozesse, die so komplex sind wie Zeolite und die in ihnen ablaufenden katalytischen Reaktionen, stellt allerdings eine große Herausforderung dar. Erst kürzlich sind DFT Programme entwickelt worden, die so komplexe und umfangreiche Aufgaben lösen können - eines der leistungsfähigsten dieser Programm-Pakete ist das Vienna ab-initio simulation package VASP. VASP wurde in unserer Arbeitsgruppe zur Untersuchung der Struktur und der chemischen Reaktivität von Zeoliten angewandt, die so komplex sind wie Mordenit (150 Atome in der Einheitszelle). Darüber hinaus wurden katalytische Reaktionen wie Isomerisierung, Alkylierung, Disproportionalisierung und Cracking komplexer Moleküle (hauptsächlich Kohlenwasserstoffe) modelliert. In dem hier vorgelegten Projekt planen wir, Dichte-Funktional Methoden zur Untersuchung grundlegender Probleme der Zeolit-Forschung anzuwenden. Dazu gehören insbesondere die strukturellen Eigenschaften der aktiven Zentren in protonierten Zeoliten und in solchen, die metallische, partiell hydratierte Kationen enthalten, sowie die Charakterisierung ihrer Brønsted- und Lewis-Säure Eigenschaften. Wir planen auch die Untersuchung einer neuen Klasse von Hybrid-Zeoliten die entweder in den Poren organische Gruppen mit katalytische Funktionen enthalten oder in deren Silikat-Gerüst organische Gruppen eingebaut sind. Unsere kürzlich begonnenen Untersuchungen der äußeren Oberflächen von Zeoliten sollen fortgesetzt werden. Ziel dieser Arbeiten ist die Charakterisierung der Struktur und der chemischen Eigenschaften von Silanol-Gruppen und Brønsted OH-Gruppen and der Oberfläche im Vergleich zu den aktiven Zentren im Inneren der Poren. Die Untersuchung metallischer Ionen in den Zeoliten und ihre Oberflächen-Eigenschaften ist eng mit der Rolle der Zeolite als Träger metallischer oder oxidischer Katalysatoren verbunden - diese Thematik nimmt im vorliegenden Projekt einen breiten Raum ein. Die Untersuchung der fundamentalen strukturellen und chemischen Eigenschaften soll durch die Modellierung ausgewählter katalytischer Reaktionen ergänzt werden. Schwerpunkt dieser Studien werden Umwandlungen von Kohlenwasserstoffen in sauren und bifunktionellen Katalysatoren, sowie oberflächen-speziofische Reaktionen sein. Die Arbeiten über Zeoliten sollen durch Untersuchungen verwandter Materialien, insbesondere von Tonen ergänzt werden.

Zeolite sind mikroporige kristalline Aluminosilikate mit periodischen Anordnungen von Kanälen und Poren die in der Industrie als Katalysatoren, Speichermaterialien, molekulare Siebe und Ionen-Tauscher vielfache Verwendung finden. Darüber hinaus werden dünne Zeolit-Schichten für mögliche Anwendungen als selektive Membrane, chemische Sensoren, und als Komponenten in der Mikroelektronik in Betracht gezogen. Das Gerüst, das die Poren und Kanäle umgibt (deren Durchmesser etwa den Abmessungen kleiner Moleküle entspricht), ist aus SiO4 Tetraedern aufgebaut, wobei einige der Si Atome durch Al ersetzt sind. Die für Si substituierten Al Atome induzieren eine negative Ladung des Gerüsts, die durch positiv geladene Metall-Ionen oder Protonen in den Poren ausgeglichen wird. Diese Kationen verleihen den Zeoliten ihre besondere Eignung als Ionen-Tauscher und ihre einzigartige Funktionalität als Größen- und Gestalt-selektive Katalysatoren. Seit 1962 Zeolite erstmals als Katalysatoren verwendet wurden, gibt es intensive Anstrengungen, ihre Strukturen und chemischen Eigenschaften besser zu verstehen und ihr chemisches Verhalten durch die Veränderung der Gerüst-Struktur, des Si/Al Verhältnisses oder durch die Einbringung saurer, basischer oder redox-aktiver Metall-Ionen gezielt zu beeinflussen. Gegenwärtig wird unser Verständnis katalytischer Prozesse in Zeoliten durch die Anwendung von Computer- Simulations Methoden revolutioniert. Diese Methoden sind in der Lage, mit immer besserer Genauigkeit und Verlässlichkeit die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Materialien vorauszusagen. Die fortgeschrittensten dieser Methoden basieren auf der Dichte-Funktional Theorie (DFT). Die Anwendung dieser Methoden auf Materialien und Prozesse, die so komplex sind wie Zeolite und die in ihnen ablaufenden katalytischen Reaktionen, stellt allerdings eine große Herausforderung dar. Erst kürzlich sind DFT Programme entwickelt worden, die so komplexe und umfangreiche Aufgaben lösen können - eines der leistungsfähigsten dieser Programm-Pakete ist das Vienna ab-initio simulation package VASP. VASP wurde in unserer Arbeitsgruppe zur Untersuchung der Struktur und der chemischen Reaktivität von Zeoliten angewandt, die so komplex sind wie Mordenit (150 Atome in der Einheitszelle). Darüber hinaus wurden katalytische Reaktionen wie Isomerisierung, Alkylierung, Disproportionalisierung und Cracking komplexer Moleküle (hauptsächlich Kohlenwasserstoffe) modelliert. In dem hier vorgelegten Projekt planen wir, Dichte-Funktional Methoden zur Untersuchung grundlegender Probleme der Zeolit-Forschung anzuwenden. Dazu gehören insbesondere die strukturellen Eigenschaften der aktiven Zentren in protonierten Zeoliten und in solchen, die metallische, partiell hydratierte Kationen enthalten, sowie die Charakterisierung ihrer Brønsted- und Lewis-Säure Eigenschaften. Wir planen auch die Untersuchung einer neuen Klasse von Hybrid-Zeoliten die entweder in den Poren organische Gruppen mit katalytische Funktionen enthalten oder in deren Silikat-Gerüst organische Gruppen eingebaut sind. Unsere kürzlich begonnenen Untersuchungen der äußeren Oberflächen von Zeoliten sollen fortgesetzt werden. Ziel dieser Arbeiten ist die Charakterisierung der Struktur und der chemischen Eigenschaften von Silanol-Gruppen und Brønsted OH-Gruppen and der Oberfläche im Vergleich zu den aktiven Zentren im Inneren der Poren. Die Untersuchung metallischer Ionen in den Zeoliten und ihre Oberflächen-Eigenschaften ist eng mit der Rolle der Zeolite als Träger metallischer oder oxidischer Katalysatoren verbunden - diese Thematik nimmt im vorliegenden Projekt einen breiten Raum ein. Die Untersuchung der fundamentalen strukturellen und chemischen Eigenschaften soll durch die Modellierung ausgewählter katalytischer Reaktionen ergänzt werden. Schwerpunkt dieser Studien werden Umwandlungen von Kohlenwasserstoffen in sauren und bifunktionellen Katalysatoren, sowie oberflächen-speziofische Reaktionen sein. Die Arbeiten über Zeoliten sollen durch Untersuchungen verwandter Materialien, insbesondere von Tonen ergänzt werden.