Von molekularen Vorstufen über organisch-anorganische Hybridpolymere zu hochporösen Si/C/N-Keramiken

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Im beantragten Forschungsprojekt sollen in enger Kooperation zwischen den beiden Antragstellern Methoden entwickelt und angewendet werden, die eine gezielte Synthese von Hybridmaterialien und Si/C/N-Keramiken mit großem Oberflächenanteil erlauben. Dabei werden u.a. definierte Porenstrukturen angestrebt, die speziell im Hinblick auf ihre Eignung für katalytische Anwendungen und Membranen zu optimieren sind. Als Ausgangsstoffe werden neben verbrückten Trichlorsilylverbindungen des Typs Cl3Si-R - SiCl3 auch weniger stark vernetzende, jedoch ebenfalls verbrückte Chlorsilane wie Cl2RSi-R - SiRCl2 und CIR2Si-R -SiR2Cl synthetisiert. Diese Edukte sollen durch Umsetzungen mit Cyanamid oder Bis(trimethylsilylcarbodiimid) für die Erzeugung von Gelen sowie die Synthese molekularer Silylcarbodiimid-Modellverbindungen verwendet werden. Ziel ist es dabei, Korrelationen zwischen der chemischen Struktur (Auswahl von R und R ) der Ausgangsstoffe und den Eigenschaften - insbesondere der Porosität - der Produkte zu finden. Xerogele sowie die daraus nach Calcinierung und Pyrolyse entstehenden Si-basierten Keramiken werden chemisch-strukturell und morphologisch charakterisiert. Weitere Zielparameter sind die Hydrolyseempfindlichkeit und die Reaktivität der verbrückten Silylcarbodiimide gegenüber Aminen und anderen organischen Basen sowie Lewis-Säuren, die bei der Gelsynthese als Katalysator fungieren. Hochauflösende mikrostrukturelle und nanochemische Charakterisierungen (HRTEM, EDXS, EELS, ELNES, EFTEM) aller Zwischenstadien in Verbindung mit quantenchemischen Modellrechnungen sollen die Optimierung der Prozeßroute und eine gezielte Auswahl der Hybrid-Vorstufen unter Berücksichtigung von Reaktionsmechanismen erlauben. Dies betrifft insbesondere die Identifikation von Zerfallspfaden der Polymermoleküle während der Pyrolysereaktionen wie auch die Hydrolysebeständigkeit der Carbodiimid-Polymere. Aus den experimentell ermittelten Bindungszuständen der beteiligten Elemente in den Polymeren und Keramiken und den theoretischen Daten wird ein Modell zur Korrelation der Porosität der Xerogele und der Si/C/N-Keramiken mit dem organischen Spacer und dem organischen Substituenten am Si-Atom der molekularen Vorstufe erstellt. Die zweite Phase des Projekts soll sich dann der weiterführenden Prozeßentwicklung zur Erzeugung von katalytisch wirksamen Hybridmaterialien bis hin zur Herstellung von Bauteilkomponenten wie beipielsweise nichtoxidisch-keramischen Membranen für Separationsanwendungen widmen.