Ordered mesoporous silica COK-12: mesoscale tailoring, upscaling, continuous synthesis and application in the oxidative coupling of Methane

Ordered Mesoporous Silica (OMS) gehört zu der Familie der Silica-Nanomaterialien mit periodisch angeordneten Mesoporen im Größenbereich zwischen 2 und 50 nm. Diese werden zunehmend in unterschiedlichen Forschungsfeldern wie Medikamentenfreisetzung, Adsorption, Separation und Katalyse eingesetzt. COK-12 ist ein OMS, das über eine Soft-Templating-Methode unter Nutzung des Blockcopolymers P123 als strukturbestimmenden Zusatz erzeugt wird. Die Synthese erfolgt bei Raumtemperatur unter milden Reaktionsbedingungen. Im Vergleich zu den am weitesten bekannten OMS-Materialien ist die Synthese von COK-12 zeiteffizient, günstig und umweltfreundlich. Dabei wird ein OMS-Material analog zu dem bereits etablierten SBA-15 erzeugt. Die vorliegende Dissertation umfasst die Synthese eines als COK-12 bekannten OMS-Materials, dem Scale-Up der Synthese sowie die Anpassung und Modifizierung der ursprünglich hexagonal-angeordneten Mesoporen bezüglich Porengrößen und Porenform. Das diskontinuierliche Scale-Up im Batchprozess führt zu nahezu identischen Materialeigenschaften im Vergleich zu dem ursprünglichen COK-12. Ein Scale-Up der COK-12-Synthese wurde zusätzlich im kontinuierlichen Prozess erprobt. Dessen Installation und Operation wurde mit dem Ziel durchgeführt, um die Möglichkeit einer Produktion von großen Mengen an COK-12 mit einheitlichen Materialeigenschaften zu validieren. Durch eine Variation der Alterungszeit als auch der Fließrate der Lösungen konnte COK-12 im kontinuierlichen Prozess mit nahezu identischen Eigenschaften wie das ursprüngliche COK-12 erzeugt werden. COK-12 wurde erfolgreich in verschiedenen Formen (Pulver, Pressgranulate und Monolithe) als Trägermaterial für Na2WO4-Mn/SiO2-Katalysatoren für die Oxidative Kopplung von Methan eingesetzt. Die resultierenden Aktivitäten ist sind vergleichbar mit denen des auf SBA-15-geträgerten Katalysators Der Vorteil der Nutzung von COK-12 im Vergleich zu anderen OMS-Materialien liegt in der vergleichsweise simplen COK-12-Synthese, weshalb es ein interessanter Kandidat für eine mögliche industrielle Produktion des Na2WO4-Mn/SiO2-Katalysators ist, wenn geeignete Pelletierungs- und Herstellungsmethoden angewendet werden.
Die Zugabe von Hexan und Polypropylenglykol (PPG) zur Aufweitung der Mizellen in der ursprünglichen COK-12-Synthese wurde untersucht, um die mesoporöse Struktur des Systems zu variieren. Hexan wurde eingesetzt zur Aufweitung der Mizellen und als Hilfsmittel zur Produktion mesozellulärer Silica-Schäume mit „ink-bottle“-förmigen Poren sowie vergrößertem Porendurchmesser im Vergleich zu denen des ursprünglichen COK-12. Durch die Zugabe von PPG in die Synthese verändert sich die Mesoporenstruktur der ursprünglichen hexagonalen 2D-Struktur zu einer multilamellaren vesikulären Anordnung, die mit zunehmender PPG-Konzentration verstärkt wird.
Die Flexibilität der COK-12-Synthese wurde in dieser Arbeit in Bezug auf ein Scale-Up und eine Porenmodifikation weitreichend untersucht, mit dem Ziel das existierende Wissen in Bezug auf eine vielseitige, nachhaltige sowie eine potentielle Industrieproduktion der COK-12-Synthese zu entwickeln.