Synthese, Charakterisierung und Applikationen von unbeschichteten, silan-beschichteten und UV-modifizierten Nano-Zinkoxiden

Zur Dissertationsschrift: urn:nbn:de:hbz:464-duett-06142005-1350508

Kurzfassung

Im Zuge der Arbeiten zu dieser Dissertation wurden zum ersten mal unbeschichtete, mit Silan beschichtete und UV-modifizierte nanoskalige Zinkoxide mit einer großen Oberfläche (130 m²/g) synthetisiert. Diese nanoporösen Materialien sind robuster als die bislang beschriebenen Zinkoxide. Das UV-behandelte Material ist außerdem effektiver als nanoskaliges Titandioxid für die photokatalytische Mineralisation von Chlor-Kohlenwasserstoffen. Unbeschichtetes und mit Silan beschichtetes Zinkoxid wird über einen Sol-Gel-Prozess aus Lösungen synthetisiert, die eine hohe Zink-Ionen-Konzentration aufweisen. Solch hohen Zink-Konzentrationen wurden im Sol-Gel-Prozess bisher nicht benutzt, da diese üblicherweise in hohen Aggregationen von Zinkoxid-Partikeln enden. Um diese Aggregation zu beeinflussen wurden Alkoxysilane mit organischen funktionellen Gruppen als ummantelnde Moleküle genutzt. Bis dato bekannte Ansätze und Synthesen von unbeschichteten Nanomaterialien wurden optimiert und die Verwendung von Silanen als Beschichtungssubstrat wurde angepasst. Bei der Synthese von beschichtetem Zinkoxid ist die Präsenz des Beschichtungssubstrats während des Ausfällens der Zinkoxid-Partikel das Besondere. So findet die Modifikation der Oberfläche der primären Partikel im statu nascendi statt. In diesem Zustand konkurrieren die Aggregation der primären Partikel und die Reaktion mit den beschichtenden Silan-Molekülen an der Oberfläche dieser Partikel miteinander. Die hohe Reaktivität der ZnO Partikeloberfläche wird ausgenutzt um kovalente Bindungen ziwschen den Silanen und der Zinkoxid Oberfläche zu bilden. Abhängig von der Silankonzentration konnten verschiedene Arten von Bindungen zwischen den Silanen und der Oberfläche der Partikel (T0, T1 und T2) über spektroskopische Verfahren charakterisiert werden (beispielsweise 13C und 29Si Feststoff NMR-Studien). Das Ergebnis ist eine hohe BET-Oberfläche (130 m²/g) eines rein anorganischen Oxid-Netzwerks das aus polycyclischen, silasesquioxan-verknüpften Zinkoxid-Partikeln besteht. Desweiteren wurden die Eigenschaften des erhaltenen Materials, wie pH-Stabilität, Alterungsbeständigkeit, sowie die mögliche Nutzung des Materials als heterogener Photokatalysator für die photooxidative Mineralisierung von Chlorkohlenwasserstoffen (z.B. Ethylentetrachlorid) und der Einsatz in der Photovoltaik (z.B. dünnschicht Grätzel-Zellen) untersucht.