Zur Auswahl und Entwicklung ionischer Flüssigkeiten für spezielle Anwendungen der

208 Pages·2008·1.07 MB·German

by  Dirk Gerhard

Zur Auswahl und Entwicklung ionischer Flüssigkeiten für
spezielle Anwendungen der Energieerzeugung,
Energiespeicherung und zur Nutzung in energieeffizienten
Trenn- und Kompressionsverfahren

Der Technischen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Ingenieurwissenschaften

vorgelegt von

Diplom-Chemiker Dirk Gerhard
aus Erlangen

Erlangen 2007
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg

Tag der Einreichung: 14.09.2007
Tag der Promotion: 21.12.2007
Dekan: Prof. Dr. Johannes Huber
Berichterstatter: Prof. Dr. Peter Wasserscheid
Prof. Dr. Wolfgang Arlt
Die vorliegende Doktorarbeit wurde vom 01.08.2004 bis zum 15.06.2007 am Lehrstuhl
für Chemische Reaktionstechnik unter Anleitung von Universitätsprofessor Dr. Peter
Wasserscheid durchgeführt.
i
Teile dieser Arbeit wurden bereits in den folgenden Fachzeitschriften veröffentlicht:

[1] M. Zistler, P. Wachter, C. Schreiner, M. Fleischmann, D. Gerhard, P.
Wasserscheid, A. Hinsch, H. J. Gores, Journal of the Electrochemical Society
2007, 154, B925-B930.
[2] T. Herzig, C. Schreiner, D. Gerhard, P. Wasserscheid, H. J. Gores, Journal of
Fluorine Chemistry 2007, 128, 612.
[3] J. M. Gottfried, F. Maier, J. Rossa, D. Gerhard, P. S. Schulz, P. Wasserscheid,
H.-P. Steinrück, Zeitschrift für Physikalische Chemie (München, Germany) 2006,
220, 1439.
[4] F. Maier, J. M. Gottfried, J. Rossa, D. Gerhard, P. S. Schulz, W. Schwieger, P.
Wasserscheid, H.-P. Steinrück, Angewandte Chemie, International Edition 2006,
45, 7778.
[5] G. Nazmutdinova, S. Sensfuss, M. Schrödner, A. Hinsch, R. Sastrawan, D.
Gerhard, S. Himmler, P. Wasserscheid, Solid State Ionics 2006, 177, 3141.
[6] M. Zistler, P. Wachter, P. Wasserscheid, D. Gerhard, A. Hinsch, R. Sastrawan, H.
J. Gores, Electrochimica Acta 2006, 52, 161.
[7] D. Gerhard, S. C. Alpaslan, H. J. Gores, M. Uerdingen, P. Wasserscheid,
Chemical Communications (Cambridge, United Kingdom) 2005, 5080.

Teile dieser Arbeit sind zum Patent angemeldet:

[8] M. Uerdingen, D. Gerhard, P. Wasserscheid, (Solvent Innovation GmbH,
Germany). EP, 2005-1000911679307 2006, p. 12 pp.

Teile dieser Arbeit wurden bereits als Tagungsbeitrag veröffentlicht:
[9] Posterbeitrag: D. Gerhard, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Synthetic
approaches towards novel bulk ionic liquids for engineering
applications, Green Solvents For Processes, Friedrichshafen
2006.
ii
[10] Vortragender D. Gerhard, P. Wasserscheid, Trialkylsulfonium dicyanamides: A
new family of ionic liquids with very low viscosities, ACS
Meeting, Atlanta 2006.
[11] Vortragsautor P. Wasserscheid, S. Himmler, E. Sitsen, D. Gerhard, M.
Medved, Highly efficient synthetic approaches towards really
new ionic liquids, ACS Meeting, Atlanta 2006.
[12] Posterbeitrag: D. Gerhard, S. Himmler, P. Wasserscheid, Novel ionic liquid
based electrolytes for dye-sensitized solar cells
-Characterization & Assessment of Quality-, 1st International
Congress on Ionic Liquids, Salzburg 2005.

iii
An erster Stelle möchte ich meinem Doktorvater Universitätsprofessor Dr. Peter
Wasserscheid für die hervorragende Betreuung und Unterstützung meiner Arbeit
danken. Eine interessantere und herausforderndere Themenstellung hätte ich mir nicht
wünschen können.

Herrn Universitätsprofessor Dr. Wolfgang Arlt danke ich herzlich für die Übernahme des
Zweitgutachtens und das stetige und rege Interesse an meiner Arbeit sowie die
wertvollen Kommentare und Diskussionen.

Des Weiteren gilt mein besonderer Dank allen externen Kollegen, mit denen ich im
Rahmen verschiedener Projekte zusammenarbeiten durfte. Bei den Solarzellen: Heiner,
Christian, Markus, Philipp, Tobias, Rainer, Andreas, Uli, Conny, Marius, Ronald, Anke
und Ursa; bei der Stoffrennung: Prof. Arlt, Javid und Liudmila; sowie bei weiteren
Projekten: Paul, Heiko, Prof. Schlücker, Tim, Marc, Markus und Roy. Danke!

Peter, Simone und Mirjam danke ich ganz herzlich für die kritische und schnelle
Durchsicht des Manuskripts.

Daran anschließend möchte ich mich bei meinem Diplomanden und meinen HiWis für
ihr außergewöhnliches Interesse an meinem Projekt bedanken. Ohne Daniel, Cenk und
Friedrich hätte die Arbeit nur halb so viel Spaß gemacht.

Ohne die vielen hilfreichen Hände in Labor, Werkstatt und bei der Bewältigung des
bürokratischen Dschungels wäre an keinem Lehrstuhl eine wissenschaftliche Arbeit
möglich. Für die angenehme Arbeitsatmosphäre und die tatkräftige Unterstützung
während meiner Zeit in Erlangen möchte ich mich daher bei allen Mitarbeitern des CRT
bedanken. Besonderer Dank gilt dabei Andreas, Esther, Marco, Martin, Mitja, Oliver,
Peter, Simone, Sven und Tobias!

Dem BMBF danke ich für die Bereitstellung der finanziellen Mittel.

Meinen Eltern danke ich ganz besonders für die Unterstützung in all den Jahren meines
Studiums und weit darüber hinaus.
iv
Für Mirjam

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INHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung & Aufgabenstellung.................................................................................. 1
1.1 Anwendungsbeispiel 1: Farbstoffsolarzellen..................................................... 2
1.2 Anwendungsbeispiel 2: Sauerstoffkompression................................................ 2
1.3 Anwendungsbeispiel 3: Wasserstoffspeicherung.............................................. 3
1.4 Anwendungsbeispiel 4: Trennung engsiedender Stoffe.................................... 4

2. Hintergrund............................................................................................................... 5
2.0 Ionische Flüssigkeiten....................................................................................... 5
2.0.1 Definition.................................................................................................... 5
2.0.2 Darstellung ionischer Flüssigkeiten............................................................ 5
2.0.3 Allgemeine Aspekte zu ionischen Flüssigkeiten......................................... 8
2.1 Etablierte Methoden der Kationen- und Anionenauswahl für die Anwendungs-
forschung .......................................................................................................... 9
2.1.1 Verwendung bekannter ionischer Flüssigkeiten......................................... 9
2.1.2 Entwicklung neuartiger ionischer Flüssigkeiten........................................ 10
2.2 Anwendungsbeispiel 1: Farbstoffsolarzellen................................................... 13
2.2.1 Problemstellung/Industrielle Bedeutung................................................... 13
2.2.2 Stand der Technik.................................................................................... 14
2.2.3 Lösungsansätze mit ILs ........................................................................... 15
2.3 Anwendungsbeispiel 2: Kompression von Sauerstoff...................................... 17
2.3.1 Problemstellung/Industrielle Bedeutung................................................... 17
2.3.2 Stand der Technik.................................................................................... 18
2.3.3 Lösungsansätze mit ILs ........................................................................... 20
2.4 Anwendungsbeispiel 3: Trennung engsiedener Stoffe.................................... 20
2.4.1 Problemstellung/Industrielle Bedeutung................................................... 21
2.4.2 Stand der Technik.................................................................................... 22
2.4.3 Lösungsansätze mit ILs ........................................................................... 27
2.5 Anwendungsbeispiel 4: Speicherung von Wasserstoff.................................... 29
2.5.1 Problemstellung/Industrielle Bedeutung................................................... 29
2.5.2 Stand der Technik.................................................................................... 30
2.5.3 Lösungsansätze mit ILs......................................................................................34
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INHALTSVERZEICHNIS

3 Ergebnisse und Diskussion.................................................................................... 37
3.0 Entwickelte Methodik....................................................................................... 37
3.1 Anwendungsbeispiel 1: Farbstoffsolarzelle..................................................... 38
3.1.1 Erstellung Lastenheft & Leitparameter..................................................... 38
3.1.2 Entwicklung niedrigviskoser ionischer Flüssigkeiten................................ 43
3.1.3 Screening von ausgewählten ionischen Flüssigkeiten in Farbstoff-
solarzellen................................................................................................ 49
3.1.4 Optimierung des Systems [EMIM][N(CN) ]/[PMIM]I/I .............................. 54
2 2
3.1.5 Schlussfolgerung Farbstoffsolarzelle....................................................... 64
3.2 Anwendungsbeispiel 2: Kompression von Sauerstoff...................................... 66
3.2.1 Erstellung Lastenheft & Leitparameter..................................................... 66
3.2.2 Screening von ionischen Flüssigkeiten.................................................... 69
3.2.3 Strukturelle Optimierung........................................................................... 73
3.2.4 Weitere praxisrelevante Eigenschaften.................................................... 77
3.2.5 Schlussfolgerung Kompression................................................................ 78
3.3 Anwendungsbeispiel 3: Trennung engsiedender Stoffe.................................. 78
3.3.1 Absorptionskonzept zur Trennung von Propan und Propen..................... 79
3.3.2 Extraktive Rektifikation von n-Hexan und 1-Hexen.................................. 93
3.3.3 Schlussfolgerung Stofftrennung............................................................. 112
3.4 Anwendungsbeispiel 4: Speicherung von Wasserstoff.................................. 114
3.4.1 Erstellung Lastenheft & Leitparameter................................................... 114
3.4.2 Aufbau Messapparatur........................................................................... 116
3.4.3 Synthese von speziellen funktionalisierten ionischen Flüssigkeiten....... 119
3.4.4 Verwendung von Nickel als Additiv........................................................ 124
3.4.5 Schlussfolgerung Wasserstoffspeicher.................................................. 128

4 Zusammenfassung und Ausblick.......................................................................... 130
4.0 Methodische Aspekte.................................................................................... 130
4.1 Anwendungsbeispiel 1: Farbstoffsolarzelle................................................... 131
4.2 Anwendungsbeispiel 2: Sauerstoffkompression............................................ 132
4.3 Anwendungsbeispiel 4: Stofftrennung........................................................... 133
4.4 Anwendungsbeispiel 3: Wasserstoffspeicherung.......................................... 134
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INHALTSVERZEICHNIS

5 Anhang................................................................................................................. 136
5.0 Tabellen ........................................................................................................ 136
5.1 Abkürzungs- und Symbolverzeichnis............................................................ 137
5.2 Bereitstellung von Lösungsmitteln und Reagenzien...................................... 141
5.3 Allgemeine Arbeitstechniken......................................................................... 142
5.4 Analytik.......................................................................................................... 142
5.5 Allgemeine Arbeitsvorschriften (AAV)........................................................... 144
5.6 Durchgeführte Synthesen.............................................................................. 148

6. Literaturverzeichnis.............................................................................................. 186
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