Die Forschungsarbeit der AG Kleitz

Seit 2016 hat Freddy Kleitz in der Fakultät für Chemie eine brandneue Laborinfrastruktur aufgebaut, die sich der Entwicklung nanoporöser Materialien, ihrer Charakterisierung und ihren Anwendungen widmet. Im Labor von Prof. Kleitz haben die Forscher*Innen Zugang zu modernsten Analysetechniken für die Charakterisierung solcher porösen Feststoffe, einschließlich Gasadsorptionsmessungen für die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und die Porengrößenverteilung. Darüber hinaus verfügt das Kleitz-Team über Methoden zur Charakterisierung der Materialstrukturen, Zusammensetzungen und Funktionalitäten.

Unsere Forschungsaktivitäten konzentrieren sich hauptsächlich auf die Entwicklung funktioneller Materialien mit klar definierten Poren in einem Größenbereich unter 100 nm, d. h. nanoporöse Materialien, sowie auf die Untersuchung ihrer physikochemischen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen.

Im Laufe der Jahre hat das Kleitz-Team große Expertise in der Synthese und Funktionalisierung von mikroporösen und mesoporösen anorganischen Materialien entwickelt. Dazu gehören die Synthese und Charakterisierung von nanoporösen Oxiden und Silikaten, die mit Hilfe von Template-Methoden hergestellt werden.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung ist die Entwicklung hybrider Materialien durch selektive Platzierung von Gastspezies (organische Stoffe, Polymere, anorganische Cluster, Nanopartikel, Biomoleküle usw.) an bestimmten Stellen in anorganischen Matrizen. Darüber hinaus ist ein Teil der Forschung der Herstellung von anorganisch-organischen Hybriden durch (bio)chemische Funktionalisierungsstrategien gewidmet.

 

Arten von Materialien:
  • Poröse Materialien (nanoporös) / Templatierungsstrategien / Sol-Gel / Hydrothermalsynthese
  • Siliziumdioxid und Silikate (einschließlich Zeolithe) / Metalloxide / Organisch-anorganische Hybride / Kohlenstoffe / Poröses Silizium
  • Pulver / Nanopartikel / Kolloide / Monolithen

Aktuelle Referenzen:
  1. von Baeckmann, C.; Rubio, G. M. D. M.; Kählig, H.; Kurzbach, D.; Reithofer, M.R.; Kleitz, F., “Evaporation-Induced Self-Assembly of Small Peptide-Conjugated Silica Nanoparticles”, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 22700-22705. DOI: 10.1002/anie.202108378.
  2. von Baeckmann, C.; Eisen, C.; Kählig, H.; Guggenberger, P.; Kleitz, F., “Facile Synthesis of Spatially‐Functionalized Core‐Shell Nanocatalysts with 3‐D Mesopore Structure”, ChemCatChem 2021, 13, 1140-1145. DOI:10.1002/cctc.202001737.
  3. von Baeckmann, C.; Kählig, H.; Lindén, M.; Kleitz, F.*, “On the importance of the linking chemistry for the PEGylation of mesoporous silica nanoparticles”, J. Colloid Interf. Sci. 2021, 589, 453-461. DOI:10.1016/j.jcis.2020.12.004.
  4. Guillet-Nicolas, R.; Wainer, M.; Marcoux, L.; Thommes, M.; Kleitz, F., “Exploring the confinement of polymer nanolayers into ordered mesoporous silica using advanced gas physisorption”, J. Colloid Interf. Sci. 2020, 579, 489-507. DOI:10.1016/j.jcis.2020.05.103.
  5. Masoumifard, N.; Guillet-Nicolas, R.; Kleitz, F.*, “Synthesis of Engineered Zeolitic Materials: From Classical Zeolites to Hierarchical Core–Shell Materials”, Adv. Mater. 2018, 30, 1704439. DOI: 10.1002/adma.201704439.

Unser Ziel ist die Entwicklung von Materialien mit großer Oberfläche, die funktionelle Gruppen enthalten und eine geeignete Partikelmorphologie für selektive Sorptions- und Trennverfahren (z. B. Schadstoffentfernung, Extraktionschromatographie, Wasseraufbereitung), heterogene Katalyse (z. B. nachhaltige Chemie- und Kraftstoffproduktion, Elektrokatalyse, H2-Produktion) und biomedizinische Anwendungen (z. B. Medikamentenaufnahme, Vektorisierung) aufweisen.

Anorganische poröse Strukturen werden auch synthetisiert, um als Wirt oder Vorlage für die Herstellung von nanostrukturierten Objekten (Metall- oder Metalloxid-Nanopartikel, Nanodrähte, nicht siliziumhaltige Netzwerke) zu dienen. Neben den technologischen Aspekten liefert die Forschung ein grundlegendes Verständnis der Wirt-Gast-Wechselwirkungen in Nanoporen, Adsorptionsprozesse, Begrenzungseffekte, Grenzflächenwechselwirkungen und Transportphänomene auf der Nanoskala.

Anwendungen:
  • Sorbentien (Gasadsorption, Flüssigkeitsadsorption)
  • Extraktionsmaterialien für die Rückgewinnung kritischer Metalle
  • Feste Katalysatoren und Katalysatorträger (Lewis-Säure-Katalyse, Basenkatalyse, Oxidation, Trockenreformierung, Wasserstoffentwicklung, grüne Chemie, Nutzung von CO2)
  • Elektrokatalysatoren und aktive Materialien für Elektroden (Li-Ionen-Batterien, Si-Elektroden, Brennstoffzellen, Metall-Luft-Batterien)
  • Nanoträger (Verabreichung von Arzneimitteln)

Aktuelle Referenzen
  1. Priamushko, T.; Guillet-Nicolas, R.; Yu, M.; Doyle, M.; Weidenthaler, C.; Tüysüz, H.; Kleitz, F., “Nanocast Mixed Ni-Co-Mn Oxides with Controlled Surface and Pore Structure for Electrochemical Oxygen Evolution Reaction”, ACS Applied Energy Mater. 2020, 3, 5597-5609. DOI: 10.1021/acsaem.0c00544
  2. Juère, E.; Caillard, R.; Marko, D.; Del Favero, D.; Kleitz, F., “Smart Protein‐Based Formulation of Dendritic Mesoporous Silica Nanoparticles: Toward Oral Delivery of Insulin”, Chem. Eur. J. 2020, 26, 5195-5199. DOI: 10.1002/chem.202000773.
  3. Hu, Y.; Florek, J.; Larivière, D.; Fontaine, F.-G.; Kleitz, F., “Recent Advances in the Separation of Rare Earth Elements Using Mesoporous Hybrid Materials”, The Chemical Record 2018, 18, 1261–1276.DOI:10.1002/tcr.201800012.
  4. Lefrancois Perreault, L.; Colo, F.; Meligrana, G.; Kim, K.; Fiorilli, S.; Bella, F.; Nair, J.R.; Vitale-Brovarone, C.; Florek, J.; Kleitz, F.; Gerbaldi, C., “Spray-Dried Mesoporous Mixed Cu-Ni Oxide@Graphene Nanocomposite Microspheres for High Power and Durable Li-Ion Battery Anodes”, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1802438. DOI:10.1002/aenm.201802438. (Front Cover).
  5. Xu, W.; Ollevier, T.; Kleitz, F., “Iron-modified mesoporous silica as an efficient solid Lewis acid catalyst for the Mukaiyama aldol reaction”, ACS Catalysis 2018, 8, 1932-1944. DOI: 10.1021/acscatal.7b03485.
  6. Yen, H.; Seo, Y., Kaliaguine, S.; Kleitz, F., “Role of Metal-Support Interactions, Particle size, and Metal-Metal Synergy in CuNi Nanocatalysts for H2 Generation”, ACS Catalysis 2015, 5, 5505-5511. DOI: 10.1021/acscatal.5b00869.
  7. Nair, M. M.; Kaliaguine, S.; Kleitz, F., “Nanocast LaNiO3 Perovskites as Precursors for the Preparation of Coke-Resistant Dry Reforming Catalysts”, ACS Catalysis 2014, 4, 3837-3846. DOI: 10.1021/cs500918c.
  8. Yen, H.; Seo, Y.; Kaliaguine, S.; Kleitz, F., “Tailored Mesostructured Copper-Ceria Catalysts with Enhanced Performance for Low-Temperature Preferential Oxidation of CO (PROX)”, Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12032-12035. DOI: 10.1002/anie.201206505.