Protonenleitende Copolymere durch initiated Chemical Vapor Deposition

Dieses Projekt befasst sich mit der Entwicklung von protonleitenden Polymeren (Proton Conductive Polymers PCP) durch initiierte chemische Gasphasenabscheidung. PCPs werden durch die Kombination von Monomer Einheiten welche Säuren und hydrophobische Gruppen enthalten, gewonnen. In Wasser eingetaucht erlauben die Säuregruppen das Passieren der Protonen durch das Material, während die hydrophobischen Komponenten die Integrität der Polymer-Hauptkette garantieren. PCPs können aufgrund der verschiedenen Löslichkeiten der Monomere nur schwer durch konventionelle Kopolymerisationsmethoden synthetisiert werden. Wir beabsichtigen initiierte chemische Gasphasenabscheidung (iCVD) zu verwenden um PCPs zu synthetisieren. Bei iCVD handelt es sich um eine trockene Polymerisationsmethode, welche keine Lösungsmittel verwendet und somit erlaubt Säure und hydrophobische Monomere einfach zu kopolymeriseren. Die chemische Struktur der PCPs kann während des iCVD Prozess fein abgestimmt werden, um die beste Kombination aus Protonenleitfähigkeit und Stabilität in einer Wasserlösung zu erreichen. Es wird angenommen, dass der Protonentransport in hydratisierten PCPs durch ionische Kanäle erfolgt, welche verbundene hydrophile Cluster, eingebettet in der hydrophoben Matrix, sind. Wir beabsichtigen Röntgen-basierte Techniken zu verwenden, um die Strukturänderung durch eintauchen in Wasser zu untersuchen. Die Änderungen der Struktur wird bevor, während und nach dem untertauchen kontrolliert. Ein sehr innovativer Aspekt des Projektes ist die Verwendung von Röntgenreflektometrie (X-ray reflectometry XRR) und Röntgenstreuung, um die Strukturänderung des Films durch die Wasseraufnahme zu überwachen. Dafür werden feuchtigkeitskontrollierte Zellen und temperaturkontrollierte Stufen verwendet. XRR wird heutzutage als die präziseste Methode zur Dünnfilmcharakterisierung betrachtet. iCVD ist eine relativ neue Technik, welche am Massechussetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurde und in Europa nicht sehr verbreitet ist. Der Antragssteller hat vor die Forschung an iCVD Polymerisation in Österreich zu etablieren und auszudehnen. An der technischen Universität Graz (TU Graz) ist bereits ein Reaktor verfügbar. Dieses Projekt sieht eine enge Zusammenarbeit zwischen dem MIT und der TU Graz vor, was mit Sicherheit dazu beitragen wird ein internationales Netzwerk aufzubauen, um iCVD Wissen zu verbreiten und sie mit der an der TU Graz bereits stattfindenden Forschung in Zusammenhang zu bringen.

In dieses Projekt haben wir mit der Entwicklung von protonleitenden Polymeren (Proton Conductive Polymers PCP) durch initiierte chemische Gasphasenabscheidung gearbeitet. PCP sind wichtig für Brennstoffzellen oder als biolopymere. PCP werden durch die Kombination von Monomer Einheiten welche Säuren und hydrophobische Gruppen enthalten, gemacht. In Wasser eingetaucht erlauben die Säuregruppen das Passieren der Protonen durch das Material, während die hydrophobischen Komponenten die Integrität der Polymer-Hauptkette garantieren. PCPs können aufgrund der verschiedenen Löslichkeiten der Monomere nur schwer durch konventionelle Kopolymerisationsmethoden synthetisiert werden. Wir verwendeten eine innovative vakuumbasierte Methode, die sogenannte Chemical Vapor Deposition (iCVD), um das PCP zu synthetisieren. iCVD verwendet keine Lösungsmittel und somit erlaubt Säure und hydrophobische Monomere einfach zu kopolymeriseren. Die chemische Struktur der PCP kann während des iCVD Prozess fein abgestimmt werden, um die beste Kombination aus Protonenleitfähigkeit und Stabilität in einer Wasserlösung zu erreichen. Es wird angenommen, dass der Protonentransport in hydratisierten PCPs durch ionische Kanäle erfolgt, welche verbundene hydrophile Cluster, eingebettet in der hydrophoben Matrix, sind. Wir verwendete Röntgen-basierte Techniken, um die Struktur zu untersuchen. Ein sehr innovativer Aspekt des Projektes ist die Verwendung von Röntgenreflektometrie (X- ray reflectometry XRR) und Ellipsometrie, um die Strukturänderung des Films durch die Wasseraufnahme zu überwachen. Dafür werden feuchtigkeitskontrollierte Zellen und temperaturkontrollierte Stufen verwendet. XRR wird heutzutage als die präziseste Methode zur Dünnfilmcharakterisierung betrachtet. iCVD ist eine relativ neue Technik, welche am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelt wurde und in Europa nicht sehr verbreitet ist. Mit dem PRO-CVD-Projekt konnte die Forschung zur iCVD-Polymerisation in Österreich etabliert und erweitert werden. Ein Teil des Projekts wurde in Zusammenarbeit zwischen dem MIT und der TU Graz durchgeführt, um ein internationales Netzwerk zu schaffen, von dem alle Beteiligten profitierten.