(Silico-)aluminophosphates [Elektronische Ressource] : synthesis and application for heat storage and transformation / Hendrik van Heyden

Hendrik Van Heyden

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades
der Fakultät für Chemie und Pharmazie
der Ludwig-Maximilians-Universität München
(Silico-) Aluminophosphates:
Synthesis and Application for Heat Storage and
Transformation
Hendrik van Heyden
aus
Kassel
2008 Preface I
Erklärung
Diese Dissertation wurde im Sinne von § 13 Abs. 3 der Promotionsordnung vom
29. Januar 1998 von Herrn Prof. Dr. Thomas Bein betreut.


Ehrenwörtliche Versicherung
Diese Dissertation wurde selbstständig, ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet.
München, am 20.03.2008



(Unterschrift des Autors)


Dissertation eingereicht am 20.03.2008
1. Gutachter: Prof. Dr. Thomas Bein
2. Gutachter: Prof. Dr. Helmut Knözinger
Mündliche Prüfung am 05.05.2008 Preface III
Danksagung
Diese Arbeit entstand im Arbeitskreis von Prof. Thomas Bein am Institut für
Physikalische Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität München. Hier durfte
ich drei in jeder Hinsicht lehrreiche, spannende und intensive Jahre verbringen.
Dazu hat wesentlich die Hilfe meiner Kollegen, Freunde und Verwandten
beigetragen.
Bei meinem Doktorvater, Herrn Prof. Thomas Bein, möchte ich mich ganz
herzlich für die Aufnahme in seine inzwischen stark angewachsene Gruppe
bedanken. Seine immer freundliche Unterstützung und Anleitung, und der durch
ihn bereitgestellte Gerätepark haben mir eine Arbeit in wissenschaftlichem
Luxus ermöglicht.
Bei Frau Doktor Svetlana Mintova möchte ich mich für die Einführung in die
Welt der Zeolithe bedanken. Ihr stetes Fördern und Fordern hat mich immer
sehr motiviert und die diversen Reisen mit ihr zu unseren Projekttreffen waren
stets angenehm und interessant.
Bei Dr. Hans-Martin Henning, Dr. Ferdinand Schmidt, Gunther Munz und Lena
Schnabel möchte ich mich für die hervorragende und jederzeit freundliche
Zusammenarbeit ihm Rahmen des BMBF-Netzwerkes bedanken.
Ganz besonderer Dank gilt meinen Kollegen, von denen viele zu echten
Freunden geworden sind, besonders Camilla Scherb, Enrica Biemmi, Lea
Mühlstein, Monika Plabst, Johannes Kobler, Johann Kecht, Andreas Keilbach,
Stephan Steinlein und Ralf Köhn. Ihr habt die Zeit im AK Bein durch unzählige Preface IV
lustige Tage und Abende, und bei den zahlreichen Ausflügen und Konferenzen
unvergesslich für mich gemacht.
Sehr herzlich möchte ich mich auch bei unseren Sekretärinnen, Frau Dagmar
Hiltermann und Frau Regina Huber, bedanken. Sie waren wirklich die guten
Seelen in unserer Gruppe und haben dafür gesorgt, dass die Dinge in
geregelten Bahnen verlaufen. Dagmar wünsche ich von Herzen alles Gute für
den Kampf mit ihrer schweren Krankheit.
Bedanken möchte ich auch meinen ehemaligen Praktikanten Andreas
Esterbauer, Mirjam Dogru und Sonja Herdlicka, die hervorragende Arbeit
geleistet haben. Es freut mich sehr, dass wir Mirjam inzwischen als Mitglied
unserer Gruppe gewinnen konnten.
Abschließend möchte ich ein liebes Dankeschön an meine Frau Ank, an meine
Eltern und an meine ganze Familie für deren unerschöpfliche Unterstützung
und Ermutigung in den vergangenen drei Jahren aussprechen.
Preface V
Abstract
This work is focussed on the synthesis of microporous aluminophosphates and
silicoaluminophosphates, which are potentially useful for heat exchanger
applications. More specifically, SAPO-34 (CHA structure) and AlPO-18 (AEI
structure) were prepared in the form of nanosized crystals (<200 nm), which
can provide decreased diffusion pathways and increased outer surfaces. To
obtain nanocrystals, clear colloidal synthesis mixtures were used, and
hydrothermally treated at elevated temperatures using either conventional or
microwave ovens. The effect of synthesis composition, time and temperature
was studied, and it was found that a high supersaturation in the precursor, and
a large degree of homogeneity in composition and temperature are of crucial
importance. Additionally, very concentrated systems gave rise to a faster growth
phase and increased crystal sizes. The use of microwave energy led to smaller
crystals and increased monodispersity in both the AlPO and the SAPO system.
AlPO-18 was tested for its suitability in heat exchanger applications. Therefore,
layers of increasing thickness of up to ~600 μm were prepared by coating and
drying. The aqueous coating suspensions consisted of the calcined AlPO-18
powders and polyvinyl alcohol as a binder component. Homogeneous and
mechanically stable layers were obtained. The kinetics of water adsorption were
studied by means of a specially designed measuring setup, which allowed for
both canonical (number of particles constant) and isobaric measuring modes.
The setup provided conditions close to applications in real heat exchangers.
Films with thicknesses of up to ~150 μm allowed for fast mass and heat Preface VI
transport (<2 min), whereas thicker films showed decreased rates. The process
was faster in films comprising nanosized AlPO-18 powders due to a decreased
heat resistance in the film matrix.
Gel syntheses using high-throughput methods were conducted aimed at cost-
efficiency in the AlPO-18 (AEI) system. Therefore, two strategies, namely
template substitution and decrease of template concentration were followed. By
substitution of tetraethylammonium by triethylamine pure AlPO-18 could be
synthesized under specific conditions. The use of unconventional templates,
especially urea, led to the discovery of a new aluminophosphate phase. The
reduction of the tetraethylammonium content did not lead to the AEI structure,
but AlPO-5 (AFI) was formed under most synthesis conditions.

Preface VII
Table of Contents
Erklärung I
Ehrenwörtliche Versicherung I
Danksagung III
Abstract V
Table of Contents VII
1 Introduction 1
1.1 Climate change and -protection 1
1.1.1 The Nobel Peace Price 2007 1
1.1.2 Private, industrial and technological measures 5
1.1.3 Solar energy 10
1.1.4 Heat storage and –transformation with sorption technologies 13
1.1.5 The BMBF network project 21
1.2 Nanoscience and nanotechnology 24
1.2.1 What is nanoscience? 24
1.2.2 Materials and properties 27
1.2.3 Synthesis 35
1.2.4 Applications 36
1.2.5 Risks 37
1.3 Porous materials 38
1.3.1 Zeolites 39
1.3.2 (Silico)aluminophosphates 42 Preface VIII
1.3.3 Synthesis and mechanism of molecular sieve synthesis 45
1.3.4 Applications 50
1.4 Goals and Motivation 52
2 Methods 55
2.1 X-ray diffraction 55
2.2 Electron microscopy 57
2.3 Thermogravimetric analysis and Differential Scanning
Calorimetry 59
2.4 Physisorption 60
2.5 Vibrational Spectroscopy 63
2.6 Dynamic Light Scattering 66
2.7 Zeta-potential measurements 68
2.8 High-throughput instrumentation 70
3 Nanosized SAPO-34 synthesized from colloidal solutions 73
3.1 Introduction 73
3.2 Experimental 75
3.3 Characterization 77
3.4 Results and discussion 78
3.4.1 Synthesis 78
3.4.2 DLS and ζ-potential 85
3.4.3 XRD and SEM investigations 87