Zeolithe zeichnen sich als regelmäßig geordnete Festkörper mit einer hohen Kristallinität aus. Sie verfügen daher über definierte strukturelle, chemische und energetische Eigenschaften und eignen sich besonders, um die Auswirkungen einer systematischen Veränderung der Materialien auf den Adsorptionsprozess zu untersuchen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Wissenslücke über die Auswirkungen von Kationen auf die Adsorptionseigenschaften von Zeolithen zu schließen und insbesondere die auftretenden Wechselwirkungen sowie die resultierenden Adsorptionsmechanismen aufzuklären und zu quantifizieren.

Hierzu wurden unter Verwendung eines volumetrischen Messgerätes und einer kalorimetrischen Messzelle gekoppelte Adsorptionsisothermen und beladungsabhängige Adsorptionswärmen vermessen. Als Adsorbentien wurden modifizierte LTA- und FAU-Zeolithe verwendet, bei denen das einwertige Natrium-Kation gegen das zweiwertige Magnesium-, Calcium-, Strontium- oder Barium-Kation ausgetauscht wurde. Durch systematische Variation des Austauschgrades konnte der Einfluss der Kationenart und -anzahl sowie deren Anordnung auf verschiedene Kationenpositionen auf die adsorptionsspezifischen Kenngrößen im Detail studiert werden.

Es wurden signifikante Unterschiede in den Beladungen und freigesetzten Adsorptionswärmen festgestellt, welche vor allem auf die abnehmende Gesamtanzahl an Kationen mit steigendem Austauschgrad sowie die stärkeren Wechselwirkungen mit den divalenten Kationen zurückgeführt werden konnten. Bei der Adsorption von Methan deuteten ausgeprägte Plateaus in den Adsorptionswärmen auf unterschiedlich energetisch hochwertige Bindungsstellen hin, welche den verschiedenen Kationenpositionen zugeordnet werden konnten. Eine selektive Variation der Kohlenwasserstoffe ermöglichte es, den Einfluss des Bindungstyps (C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆) und der Kohlenstoffkettenlänge (CH₄, C₂H₆, C₃H₈) zu untersuchen. Neben Induktions-, Disperions- und Kation-π-Wechselwirkungen konnte durch die Variation des Bindungstyps erstmalig die Ausbildung von π-Komplexen nachgewiesen werden. Mit zunehmender Anzahl an Kohlenstoffatomen bildeten sich aufgrund der höheren Anzahl an Bindungsstellen stärkere Wechselwirkungen mit den Zeolithen aus und die initiale Adsorptionswärme stieg um ca. 10 kJ·mol^-1 je Kohlenstoffatom an.

Aufbauend auf der Interpretation der experimentellen Daten wurden den Wechselwirkungen zwischen Adsorbens und Adsorptiv energetische Beiträge zugeordnet, indem die jeweiligen Wechselwirkungspotentiale berechnet und gegenübergestellt wurden. Durch die Abschätzung konnte u. a. ein großer Beitrag von Wechselwirkungen mit dem Zeolithgerüst festgestellt werden. Eine mathematische Modellierung der beladungsabhängigen Adsorptionswärme anhand einer, an die Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion angelehnten, neu entwickelten inkrementellen Berechnungsvorschrift lieferte qualitativ sehr gute Annäherungen an die experimentellen Verläufe.