Der Großteil der Erdkruste besteht aus Metalloxiden, wobei Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Eisenoxide die Hauptbestandteile sind. Waren Metalloxide in der Menschheitsgeschichte zunächst hauptsächlich als Pigmente und als Rohstoffe zur Metallgewinnung interessant, so wuchs ihre Bedeutung mit wachsendem chemischem Wissen. Die Mechanismen der Bildung und des Zerfalls von Metalloxiden sind sehr komplex und bisher kaum verstanden. Genau dieses Wissen wird aber benötigt, um Metalloxide mit bestimmten Eigenschaften herzustellen und nutzen zu können. In dieser Arbeit werden daher einfache Silanole als molekulare Modelle für Silikate als Ligandvorläufer verwendet, um Eisensilanolatkomplexe zu synthetisieren. Die daraus erhaltenen Eisensilanolatkomplexe können als strukturelle Modelle für natürliche und synthetische Eisensilikate angesehen werden. Zur Aufklärung der Bildung von Eisensilikaten sowie der Struktur des aktiven Zentrums von eisenhaltigen Zeolithen werden diese Eisensilikate sowohl strukturell als auch spektroskopisch eingehend untersucht und mit den Ergebnissen von natürlichen und synthetischen Eisensilikaten verglichen. Die außergewöhnliche Kombination aus quadratisch planarer Koordination und high-spin Konfiguration der Eisen(II)ionen der in dieser Arbeit diskutierten entstehenden Komplexe entpuppt sich als charakteristisch für das aktive Zentrum von eisenhaltigen Zeolithen, weshalb die Eisensilanolatkomplexe in dieser Arbeit als gute strukturelle Modelle solcher angesehen werden können. / The main part of the earth’s crust consists of metal oxides with silica, alumina and iron oxide as major constituents. Metal oxides were used as pigments and as raw material for metal production, but with increasing chemical knowledge their importance grew. The mechanism of formation and decomposition is complex and still rarely understood. But this knowledge is needed, to synthesize and use metal oxides with distinct properties. In this work simple silanols as molecular models for silicates are used as ligand precursors to synthesize iron silanolate complexes. Those complexes can be considered as structural models for natural and synthetic iron silicates. To understand the mechanism of formation of iron silicates and also the structure of the active centre of iron containing zeolites, those iron complexes are analysed structurally and spectroscopically. The results are compared to those of natural and synthetic iron silicates. The extraordinary combination of square planar coordination and high-spin configuration of the iron(II) ion in the discussed iron complexes turns out to be characteristic for the active centre of iron containing zeolites, thus making the resulting complexes good structural models for the active centre of iron containing zeolites.

Die Herausforderungen der Ressourcenknappheit und des Klimawandels erhöhen den weltweiten Bedarf an nachhaltigen Lösungen für Produktion und Konsum drastisch. Die Effizienzsteigerung industrieller Prozesse spielt eine Schlüsselrolle in der Einsparung von Energie und Ressourcen. Optimal designte, heterogene Katalysatorsysteme könnten den Energieaufwand um bis zu 50 % senken. Eine solche Energieeinsparung wird in der Realität jedoch nicht erreicht, da ihre Leistung dem Einfluss von Massen- und Wärmetransportphänomenen unterliegt. Bei Zeolithen beeinträchtigen hohe Transportwiderstände in den Mikroporen die Katalysatorleistung maßgeblich. Die von sterischen Restriktionen bestimmte Zugänglichkeit der Mikroporen beschränkt zudem ihre Anwendbarkeit auf Reaktionen mit relativ kleinen Reaktanten und Produkten. Eine bewährte Strategie zur Erhöhung der Diffusivität in Zeolithen und Erweiterung ihres Einsatzfelds stellt die Einführung größerer Transportporen (Meso-/Makroporen) dar. Aus der Ergänzung ihrer intrinsischen Mikroporosität durch eine Sekundärporosität werden hierarchisch poröse Materialien erhalten. Enormes Potenzial zur Effizienzsteigerung von Prozessen in der Kunststoff-, Agrar-, Kosmetik- und Lebensmittelindustrie sowie in der pharmazeutischen Industrie birgt der Einsatz hierarchisch poröser Titanzeolithe, die als Epoxidierungskatalysatoren wirksam sind. Ihre Synthese ist bisher jedoch zeit- und kostenintensiv und produziert große Mengen chemischen Abfalls. In vorliegender Arbeit wurde ein daher neuer, effizienter Syntheseweg erschlossen. Die Synthesestrategie basiert auf der simultanen Durchführung zweier Modifizierungsschritte: der Hierarchisierung eines Zeolithen durch Desilizierung – d.h. der Einführung von Transportporen durch Herauslösen von Silikatspezies aus seinem Kristallgitter – und der Titanierung, d.h. dem Einbau katalytisch aktiver Titanzentren in das Gitter. Die Schwierigkeit liegt dabei in der Kombination zweier konzeptionell gegensätzlicher Prozesse: Während die Titanierung einen konstruktiven Charakter hat, handelt es sich bei der Hierarchisierung um einen destruktiven Ätzvorgang, der das Material substanziell angreift. Das Ergebnis jedes einzelnen Prozesses hängt dabei stark von den experimentellen Bedingungen ab. Die Auswahl optimaler Bedingungen für einen Syntheseschritt, der beide Einzelprozesse vereint, stellt daher ein komplexes Multiparameterproblem dar, dem in vorliegender Arbeit mit der Anwendung statistischer Versuchsmethodik (Design of Experiments) begegnet wurde. Zu den größten Stärken der simultanen Desilizierung und Titanierung (SDT) gehören neben der Beschränkung auf nur einen Modifizierungsschritt die Möglichkeit zur Verwendung kommerziell verfügbarer Ausgangsmaterialien sowie der deutlich höhere Nutzungsgrad der ins Material eingebrachten aktiven Katalysezentren. Weitere positive Aspekte, die in dieser Arbeit demonstriert werden konnten, bilden ihre einfache Durchführbarkeit, Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit. Die Synthesemethode lässt sich zudem auf Zeolithe unterschiedlicher Struktur und chemischer Zusammensetzung anwenden. Ausgehend von Zeolith Beta gelang die Synthese eines hierarchischen Ti Beta mit Tetraethylammoniumhydroxid und Tetrabutylorthotitanat bei hydrothermalen Bedingungen. Weitere erfolgreiche SDT-Experimente wurden mit den Zeolithen ZSM-58 und Silikalith durchgeführt. Aus der Behandlung von Silikalith hervorgehender hierarchisch poröser TS-1 ist aufgrund seiner Anwendbarkeit für die Propenoxidsynthese besonders industrierelevant. Die hierarchische Porosität der SDT-Produkte wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie und Physisorptionsmessungen mit Stickstoff bzw. Argon nachgewiesen. Unter nahezu vollständiger Erhaltung von Mikroporenvolumen und Oberfläche entstanden durch die Behandlung Makroporen sowie ungeordnete intrakristalline Mesoporen mit breiter Porengrößenverteilung und flaschenhalsartiger Form. Die Kristallinität des Materials wurde dabei nur geringfügig beeinträchtigt, wie Pulverröntgendiffraktometrie-Messungen zeigten. Die Koordination der (Oberflächen-)Titanspezies wurde mittels verschiedener Spektroskopietechniken (DRUV/Vis, FTIR, XPS) untersucht. Neben dem gewünschten Einbau vierfach koordinierter Gittertitanzentren kam es auch teilweise zur Bildung von katalytisch inaktiven höher koordinierten Gitter- bzw. Extragittertitanspezies sowie Anatasverunreinigungen. Den hinreichenden Nachweis für das Vorhandensein aktiver Titanzentren lieferten Katalysetests. Als Modellreaktion diente die Flüssigphasenepoxidierung verschiedener Cycloalkene mit Wasserstoffperoxid. Der positive Effekt der Einführung größerer Transportporen auf die Katalysatorleistung konnte durch den direkten Vergleich von rein mikroporösem mit hierarchisch porösem Ti-Beta erbracht werden. Bei gleichbleibend hoher Epoxidselektivität wurde im Test mit der hierarchischen Katalysatorprobe eine fast dreimal so hohe Epoxidausbeute erreicht. Ihre hohe Aktivität lässt sich nach der Reaktion wieder nahezu vollständig regenerieren. Sie geht auf eine langsamere Verkokung zurück. Diese ist eine Folge der höheren Desorptionsrate in den Transportporen, wie aus thermischen Antwortmessungen mit n-Butan am optischen Kalorimeter InfraSORP geschlussfolgert werden konnte. Die hohe katalytische Aktivität ist außerdem auf die hervorragende Erreichbarkeit der mittels SDT eingebrachten Ti-Zentren zurückzuführen. Die Produkteigenschaften reagieren sensibel auf Veränderungen der experimentellen SDT-Parameter und ihrer synergetischen bzw. antagonistischen Wechselwirkung untereinander. Mittels Festkörperanalytik identifizierte Parametereffekte wurden mit den Daten der Katalysetests korreliert und bildeten so eine aussagekräftige Grundlage für die wissenschaftliche Interpretation zugrundeliegender Struktur-Aktivitätsbeziehungen. Ausgehend von den gefundenen Parametereffekten wurde eine Optimierung ausgewählter SDT-Parameter in Bezug auf die mit dem Syntheseprodukt erzielte Epoxidausbeute vorgenommen. Das Produkt der optimierten Synthese erreichte im Katalysetest die höchste Ausbeute aller getesteten Katalysatorproben. Seine Turnover Frequency (TOF) übertraf die einer rein mikroporösen Vergleichsprobe um mehr als das Neunfache. Auch im Vergleich mit mikroporösen und mesoporösen Referenzproben aus der Literatur schnitt es überragend ab. Viele Prozesse aus der Raffinerietechnik, Petrochemie und Feinchemikalienherstellung nutzen Zeolithe nicht als Epoxidierungs-, sondern als Säurekatalysatoren. Eine effiziente Methode zur Bestimmung der Zeolithacidität ist demnach von hoher Wichtigkeit für die Industrie. Zur quantitativen Analyse der Säurezentren hat sich die temperaturprogrammierte Desorption von Ammoniak (NH3-TPD) etabliert. Der größte Nachteil dieser Methode liegt in der langen Messzeit. In vorliegender Arbeit wurde die Anwendbarkeit thermischer Antwortmessungen mit Ammoniak am Gerät InfraSORP als schnelle Screeningmethode für Zeolithacidität demonstriert. Die Säurezentrenanzahl einer Probe lässt sich dabei in etwa 30 min abschätzen. Die enorme Zeitersparnis, der geringere Materialverbrauch und die Möglichkeit zur Parallelisierung der Messungen aufgrund des modularisierbaren Messprinzips machen die Methode vor allem für die industrielle Prozess- und Qualitätskontrolle interessant.

In der vorliegenden Arbeit sind One-part Geopolymere, hergestellt aus drei verschiedenen Silikatquellen und Natriumaluminat, mit Hilfe der Festkörper-Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) charakterisiert worden. Die Methode erlaubt neben der Untersuchung von kristallinen auch die von amorphen Phasen, was einen der Hauptvorteile der NMR gegenüber der Röntgendiffraktometrie darstellt. Unter der Verwendung von Reisschalenasche konnte ein vollständig amorphes Material hergestellt werden, während Microsilica und ein siliciumreiches Nebenprodukt aus der Chlorsilan-Herstellung zur Bildung von Geopolymer-Zeolith-Kompositen führte. Zeolith Na-A ist bei diesen der kristalline Hauptbestandteil und je nach Ausgangszusammensetzung variiert die Stoffmenge dieser Phase. Die Bildung von Zeolithen ist für herkömmliche Two-part Geopolymere mit kleinem Si/Al-Verhältnis hinreichend bekannt hier für One-part Geopolymere untersucht worden. Verschiedene Methoden der NMR-Spektroskopie wurden eingesetzt. So konnten mehrere Wasser-Spezies in den Geopolymer-Zeolith-Kompositen durch die Verwendung von Einzelpuls-, Kreuzpolarisations- und rotor-synchronisierten Spin-Echo-Experimenten unterschieden werden. Wiederholungsmessungen nach mehr als 500 Tagen konnten keine relevanten Alterungseffekte nachweisen und bestätigten die chemische Stabilität der Komposite. Weiterführend sind REDOR- (rotational-echo double-resonance) und TRAPDOR (transfer of population in double resonance) MAS NMR Experimente durchgeführt worden. Die beiden Faujasith-ähnlichen Zeolithe Na-X und Na-Y wurden als Modellsubstanzen genutzt, um das 29Si-27Al TRAPDOR-Verhalten von Q4(mAl)-Einheiten in Alumosilikaten zu analysieren. Zusätzliche quantitative 29Si MAS NMR Messungen (qNMR) konnten den Reaktionsgrad der Silikatquellen bestimmen und diesen in Relation zu den mechanischen Eigenschaften der Materialien setzen. Durch Kombination der erzielten Ergebnisse konnte der Reaktionsprozess von One-part Geopolymeren illustriert werden. / One-part geopolymers produced from three different silica sources and sodium aluminate were characterized using solid-state nuclear magnetic resonances (NMR) spectroscopy. The method allows the investigation of crystalline as well as amorphous phases in the materials. The latter is one of the main advantages of NMR over X-ray diffraction. The use of rice husk ash produced a fully amorphous material. On the contrary, microsilica and a silica-rich industrial byproduct from chlorosilane production led to the formation of geopolymer-zeolite composites. Zeolite Na-A was found as major crystalline phase in these composites. Depending on the starting composition, the relative amounts of this phase varied. The formation of zeolites is well known for conventional two-part geopolymers with low Si/Al-ratios and was investigated in this study for one-part mixes. Different solid-state NMR spectroscopic methods were applied. Various water species could be distinguished in the composites using single pulse, cross polarisation and rotor-synchronised spin echo measurements. Measurements after more than 500 days revealed no significant aging effects of the composites, which confirm their chemical stability. REDOR (rotational-echo double-resonance) and TRAPDOR (transfer of population in double resonance) MAS NMR experiments were conducted. Two faujasite-type zeolites - Na-X and Na-Y - were used as model systems to analyse the 29Si-27Al TRAPDOR behaviour of different Q4(mAl) sites in alumosilicates. Additionally, quantitative 29Si MAS NMR measurements were used to investigate the degree of reaction of the silica feedstocks, showing relations to the mechanical properties of the hardened materials. Combining the findings gained in the present study, the reaction process of one-part geopolymers could be illustrated.

Komposit-Adsorbentien, die aus einer mit hygroskopischem Salz imprägnierten Zeolithmatrix bestehen, bilden eine vielversprechende Materialklasse für die thermochemische Energiespeicherung (TCES). Sie vereinen die hohe Wärmespeicherdichte des Salzes und die einfache technische Handhabbarkeit des Zeoliths. Dabei verhindert die poröse Matrix das Auslaufen von Salzlösung und kompensiert volumenänderungen während der Ad- und Desorption. Das dynamische Sorptionsverhalten solcher Komposite unterscheidet sich jedoch von dem reiner Zeolithe. Speziell die Adsorptionskinetik ist langsamer, was zu Problemen wie einer geringeren und nicht konstanten thermischen Leistung sowie unvollständiger Adsorption und langen Adsorptionspasen von Energiespeichern auf Basis dieser Materialien führt. Numerische Modellierung hat sich als wichtiges Werkzeug erwiesen, um die Ursachen solcher Leistungseinschränkungen zu identifizieren. Dadurch erleichtert es die Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern: Optimale Designs und Arbeitsbedingungen können per Simulation gefunden werden bevor Prototypen gebaut werden müssen. In dieser Arbeit wurde ein numerisches Modell einer Adsorbensschüttung in einer offenen Sorptionskammer entwickelt, in die Open-Sourve Finite-Elemente-Software OpenGeoSys implementiert und mittels experimenteller Daten validiert. Die Modellierungserebnisse zeigen, dass etablierte Sorptionskinetiken das dynamische Adsorptionsverhalten von Salz/Zeolith-Kompositen unter anwendungsrelevanten Arbeitsbedingungen erfassen. Außerdem zeigen sie, dass der Hauptgrund für die Unterschiede zwischen dem Sorptionsverhalten der Komposite und reiner Zeolithe in ihren qualitativ unterschiedlichen Sorptionsgleichgewichten liegt. Ein zweiter Fokus dieser Arbeit liegt darauf zu untersuchen, ob ein begrenzter Umfang an experimentellen Daten genügt, um die entwickelten numerischen Modelle zu kalibrieren. Diese Möglichkeit wurde durch Simulationen von dynamischen Adsorptionsvorgängen an Komposit-Adsorbentien bestätigt. Zudem wurden Kriterien entwickelt, die die Rekonstruktion eines robusten Adsorptionsgleichgewichtsmodells aus einem beschränkten expermientellen Datensatz erlauben. Schließlich wurde im Kontext der Dubinin-Polanyi-Theorie der Adsorption in Mikroporen festgestellt, das die Wahl eines bestimmten Adsorbatdichtemodells nur einen kleinen Einfluss auf Vorhersagen der Leistungsfähigkeit von Adsorbentien für die TCES hat. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden eine fundierte Grundlage für die zukünftige numerische Untersuchung von Materialien, Reaktorgeometrien und Arbeitsbedingungen während der Entwicklung von thermochemischen Energiespeichern, die auf Zeolithen oder Komposit-Adsorbentien basieren.:Used symbols and abbreviations 1. Introduction 2. Foundations 2.1. Thermochemical energy storage 2.2. Zeolites and salt/zeolite composites 2.3. Dubinin-Polanyi theory 2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed 2.5. Experimental data 3. Assessment of adsorbate density models 4. Water loading lift and heat storage density prediction 5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data 6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites 7. Summary 7.1. Main achievements 7.2. Conclusions and outlook Bibliography A. Publications A.1. Assessment of adsorbate density models A.2. A comparison of heat storage densities A.3. Water loading lift and heat storage density prediction A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites / Composite adsorbents consisting of a zeolite host matrix impregnated with a hygroscopic salt are a promising material class for thermochemical energy storage (TCES). They combine the high heat storage density of the salt with the easy technical manageability of the zeolite, which prevents the leakage of salt solution and inhibits volume changes upon ad- and desorption. The dynamic sorption behaviour of such composites, however, is different from the pure host matrix material. Particularly, the adsorption kinetics are slower, which leads to issues such as low and non-steady thermal output power, incomplete adsorption and long adsorption phases of TCES devices using these composite materials. Numerical modelling has proven to be a valuable tool to identify the causes for such performance limitations. Therefore, it facilitates the development of TCES devices: it allows to easily find optimum designs and operating procedures before actual prototypes have to be built. In this thesis a numerical model of a packed adsorbent bed in an open sorption chamber has been developed, implemented in the open-source finite element software OpenGeoSys and validated with experimental data. The modelling results show that established sorption kinetics models capture the dynamic sorption behaviour of salt/zeolite composites under application-relevant operating conditions. Moreover, they show that the main cause for the differences between the composites' and pure zeolite's sorption behaviour lies in their different sorption equilibria. A second focus of the thesis is to investigate the use of limited experimental data for the calibration of the numerical models. This possibility has been confirmed by dynamic sorption simulations of the composite materials. Furthermore, criteria were determined that allow the reconstruction of a robust adsorption equilibrium description from a reduced experimental data set. Finally, in the context of the Dubinin-Polanyi theory of adsorption in micropores, it has been found that the choice of a specific adsorbate density model has only a small influence on performance predictions of adsorbents for TCES. In summary, the results from this thesis will facilitate the screening of materials, reactor geometries and operating conditions via numerical simulations during the design of TCES devices based on zeolites and composite sorbents.:Used symbols and abbreviations 1. Introduction 2. Foundations 2.1. Thermochemical energy storage 2.2. Zeolites and salt/zeolite composites 2.3. Dubinin-Polanyi theory 2.4. Multiphysical model of a fixed adsorbent bed 2.5. Experimental data 3. Assessment of adsorbate density models 4. Water loading lift and heat storage density prediction 5. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data 6. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites 7. Summary 7.1. Main achievements 7.2. Conclusions and outlook Bibliography A. Publications A.1. Assessment of adsorbate density models A.2. A comparison of heat storage densities A.3. Water loading lift and heat storage density prediction A.4. Modelling of sorption isotherms based on sparse experimental data A.5. Modelling sorption equilibria and kinetics of salt/zeolite composites