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Herstellung poröser Polymer und Kohlenstoff basierter Hybridmaterialien zur Adsorption und Photokatalyse

Thierfeld, Hanna GND

Die vorliegende Arbeit behandelt die Herstellung von porösen Polymer- und Kohlenstoffnanokompositen und ihre Eignung als Adsorber- und Photokatalysator-materialien. Die Komposite bestehen aus hydrophil und hydrophob modifizierten Titandioxidpartikeln, die in die poröse Struktur der mikrosphärischen Polymere eingelagert sind. Zur Synthese der porösen Polymere und Polymernanokomposite wurde die Suspensionspolymerisation genutzt. Um Polymersphären mit gezielt einstellbarer Größe, BET-Oberfläche und Porenstruktur zu erhalten, wurden die Parameter wie die Wahl des Porogens, Anteil an Vernetzermonomer und Art sowie Konzentration des Stabilisators gezielt variiert. Vergleichend wurden Monolithe durch Bulk-Polymerisation hergestellt, um die Einflüsse der zusätzlichen Parameter der Suspensionspolymerisation zu bewerten. Als Monomere wurden Styrol und Divinylbenzol gewählt, da diese Kombination eine gute Eignung zur Carbonisierung aufweist. Als Modellpartikel für hydrophil und hydrophob modifizierte Nanopartikel wurden Titandioxid Nanopartikel P25 und T805 (der Firma Evonik) gewählt. Durch Verwendung geeigneter Porogene zur Polymersynthese konnte eine stabile Dispersion in der Ölphase der Suspensionspolymerisation gewährleistet werden. Auf diese Weise konnten die Nanopartikel in situ in das resultierende Polymer integriert werden. Im weiteren Schritt zur Carbonisierung der porösen Polymere und Polymernanokomposite wurden geeignete Bedingungen geprüft und etabliert, sodass die Form der Partikel, die BET-Oberfläche und die Porenstruktur erhalten bleibt, bzw. verbessert wird. Der Einfluss der hohen Temperaturen während des Carbonisierungsprozesses auf die verwendeten Nanopartikel wurde separat geprüft, um festzustellen ob die Struktur und damit die Funktionalität der Partikel erhalten bleibt. Die hergestellten Polymer- und Kohlenstoffmaterialien wurden durch Bestimmung der Isothermen verschieden substituierter Phenole auf ihre Adsorptionseigenschaften getestet. Die Ergebnisse der Adsorptionsaffinitäten und -kapazitäten zeigen verbesserte Eigenschaften der hergestellten Kohlenstoffmaterialien im Vergleich zu Aktivkohlen aus der Literatur. Des Weiteren wurde die photokatalytische Aktivität der Titandioxidnanokomposite untersucht. Es zeigte sich sowohl für die Polymerkomposite als auch für die Kohlenstoffkomposite eine katalytische Umsetzung organischer Verbindungen in Wasser. Insgesamt konnten auf diese Weise Polymer- und Kohlenstoffnanokomposite mit den gewünschten variablen Eigenschaften hergestellt werden. Die hergestellten Kohlenstoffe und Kohlenstoffnanokomposite weisen eine Eignung als Adsorber- und Photokatalysatormaterialien auf.

This work describes the preparation of porous polymer and carbon nanocomposites and their suitability as adsorber and photocatalyst materials. The composites consist of hydrophilic and hydrophobically modified titanium dioxide nanoparticles that are embedded in the porous structure of the microspheric polymers. Suspension polymerization was used to synthesize porous polymers and polymer nanocomposites. In order to obtain polymer spheres with specific size, BET surface area and pore structure, the parameters like choice of porogen, crosslinker monomer content and type and concentration of stabilizer were varied. In comparison, monoliths were prepared by bulk polymerization in order to evaluate the influences of the additional parameters of suspension polymerization. Styrene and divinylbenzene were chosen as monomers because this combination is well suited for carbonization. Titanium dioxide nanoparticles P25 and T805 (Evonik) were selected as model particles for hydrophilic and hydrophobically modified nanoparticles. By using suitable porogens for polymer synthesis, a stable dispersion in the oil phase of suspension polymerization could be ensured. With the chosen method, the nanoparticles could in situ be integrated into the resulting polymer. To carbonize the porous polymers and polymer nanocomposites, suitable conditions were tested and established to obtain the shape of the particles, the BET surface area and the pore structure. The influence of the high temperature treatment during carbonization process on titaniumdioxide nanoparticles was examined separately in order to determine whether the structure and thus the functionality of the particles is preserved. The polymer and carbon materials produced were tested for their adsorption properties by determining the isotherms of differently substituted phenols. The results of the adsorption affinities and capacities show improved properties of the produced carbon materials compared to activated carbons from literature. Furthermore, the photocatalytic activity of titanium dioxide nanocomposites was examined and catalytic conversion of organic structures in water were observed for both polymer composites and carbon composites. In summary, polymer and carbon nanocomposites with the desired variable properties could be prepared. The carbons and carbon nanocomposites produced are suitable as adsorber and photocatalyst materials.

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Thierfeld, Hanna: Herstellung poröser Polymer und Kohlenstoff basierter Hybridmaterialien zur Adsorption und Photokatalyse. 2019.

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