Mesoporöse Materialien mit Porengrößen von 2–50 nm gewinnen aufgrund ihrer großen Oberfläche, abstimmbaren Porenstruktur und ihres großen Porenvolumens in Anwendungen wie Gastrennung, Abwasserreinigung, Energiespeicherung, Arzneimittelabgabe und katalytischen Prozessen zunehmend an Aufmerksamkeit. Bei all diesen Anwendungen hängt die gewünschte Leistung stark von der Porenstruktur ab, wie Porengröße, Porenlänge, Tortuosität, Volumen und Konnektivität. Um die Beziehung zwischen Struktur und Leistung zu verstehen und sie für die Entwicklung fortschrittlicher mesoporöser Materialien zu nutzen, ist ein eindeutiges Verständnis der dreidimensionalen (3D) Porenstrukturen erforderlich. Dies erfordert zuverlässige relevante Charakterisierungstechniken. Die Elektronentomographie (ET) ist eine leistungsstarke Technik, um morphologische 3D-Informationen auf der entsprechenden Längenskala für mesoporöse Materialien zu erhalten. Ein sehr vielversprechendes Merkmal von ET ist, dass keine vorherigen Annahmen zur Porenform erforderlich sind, was normalerweise unvermeidlich ist, wenn traditionelle beugungs- oder diffusionsbasierte Bulk-Charakterisierungstechniken verwendet werden, wodurch es sich besonders für die Analyse komplexer ungeordneter Porenstrukturen eignet.

Eine genaue quantitative Interpretation des Feststoff/Poren-Netzwerks auf Basis von ET ist jedoch immer noch eine Herausforderung. Die Rekonstruktion eines 3D-Volumens aus einer Kippserie ist aufgrund der diskreten Abtastung und des begrenzten praktischen Kippbereichs mathematisch ein unterbestimmtes Problem, so dass es keine analytische Lösung gibt und daher eine Annäherung an die ursprüngliche Struktur mit geeigneten Algorithmen angestrebt wird. Darüber hinaus verursachen Einschränkungen und Mängel (z. B. Rauschen, begrenzte Neigungsparameter und Fehlausrichtung von Projektionen) in einem experimentellen Aufbau unweigerlich Artefakte und Fehler in der endgültigen Rekonstruktion. Das übergreifende Ziel der Dissertation ist es, Ansätze zu entwickeln und zu evaluieren, um eine genaue quantitative 3D-morphologische Beschreibung des Porennetzwerks in mesoporösen Materialien zu extrahieren. Um dies zu erreichen, werden zwei Aspekte betrachtet: die Bewertung der Rekonstruktionsleistung und die Verbesserung der experimentellen Methodik.

In einer grundlegenden Studie wurde die Rekonstruktionsgenauigkeit der drei gängigen Algorithmen „simultaneous iterative reconstruction technique“ (SIRT), „total variation minimization“ (TVM) und „discrete algebraic reconstruction technique” (DART) systematisch für mesoporöse Materialien unter Verwendung verschiedener realistischer Kippserie untersucht, basierend auf einer Reihe von Phantomsimulationen. Während die Rekonstruktionsgenauigkeit teilweise in früheren Veröffentlichungen angesprochen wurde, die sich auf die Restzahl falsch klassifizierter Pixel konzentrierten, wurde diese Analyse erweitert, um Auswirkungen auf die Porenmorphologie und Diffusionseigenschaften aufgrund von aggregierten Rekonstruktionsartefakten (inhomogen verteilte falsch klassifizierte Pixel) zu berücksichtigen, wodurch eine relevantere Abschätzung der Rekonstruktionsleistung entwickelt wurde. Es wurde festgestellt, dass DART die beiden anderen Methoden bei der zuverlässigen Darstellung kleiner Poren und schmaler Kanäle übertrifft, insbesondere wenn die Anzahl der Projektionen und der Kippbereich begrenzt sind. Die genau segmentierte Rekonstruktion von DART ermöglicht eine zuverlässige Quantifizierung der Porenstruktur, was wiederum zu einer zuverlässigen Bewertung effektiver Diffusionskoeffizienten führt. Darüber hinaus wird der Einfluss verschiedener Akquisitions- und Rekonstruktionsparameter auf das rekonstruierte 3D-Volumen und eine quantitative Analyse der Porenmerkmale diskutiert. Damit wird ein praktischer Leitfaden zur Optimierung der Akquisitions- und Rekonstruktionsparameter und zur Bewertung der Genauigkeit bei der Beschreibung der mesoporösen Struktur bereitgestellt.

Wie aus der Untersuchung der grundlegenden Parameter hervorgeht, ist eine der stärksten Einschränkungen in der Elektronentomographie der begrenzte Kippbereich. Um dieses Missing- Wedge-Problem letztendlich zu lösen, kann 360° ET verwendet werden, indem eine nadelförmige Probe über den gesamten Kippbereich gekippt wird und somit die fehlenden Informationen erfasst werden. Offensichtlich schränkt die Notwendigkeit der Probenbearbeitung zu einer Nadelform mit einem Durchmesser von einigen zehn Nanometern diese Technik für eine breite Palette von Materialien ein, zum Beispiel für poröse Materialien und alle Materialien in Form von losen Pulvern. Angetrieben von dieser Überlegung wurde eine neue universelle und dennoch einfache Probenvorbereitungsmethode für 360° ET entwickelt. Ein einzelnes Nanopartikel oder einige wenige getrennte Nanopartikel werden in einem TEM oder SEM ausgewählt und die ausgewählten Objekte mit dem Trägerfilm an einer einfach hergestellten spitzen Wolframspitze befestigt, die an einer Haltespitze für die Full-Range-Tomographie montiert wird. Diese Methode ist sehr flexibel und funktioniert für fast alle Arten von Pulvermaterialien ohne invasive FIB-Bearbeitung direkt auf der Probe. Die Testergebnisse für die 360°-Tomographie werden unter Verwendung eines Pt@TiO2-Hohlkäfigkatalysators gezeigt.

Schließlich wird ET als Beispiel für eine reale Anwendung eingesetzt, um das Auslaugverhalten von Pd-Nanopartikeln auf mesoporösem Kohlenstoff (CMK3) während der Ameisensäurezersetzung in Batch- und Festbettreaktoren aufzudecken. Unter Verwendung der Erkenntnisse aus dem ersten Teil (Grundlagenstudie) als Richtlinie wurde der DART-Algorithmus mit optimierten Rekonstruktionsparametern verwendet, um die räumliche und Größenverteilung der Pd-Nanopartikel in den drei Pd@CMK3-Katalysatoren vor und nach der Reaktion quantitativ zu charakterisieren. Eine quantitative Analyse der tomographischen Daten ermöglicht eine genaue Verfolgung der Entwicklung der auf dem Träger verteilten Partikel mit einer statistischen Analyse der Verteilung auf der inneren und äußeren Trägeroberfläche. Basierend auf dieser quantitativen Analyse wird die Entwicklung von Pd-Nanopartikeln während des katalytischen Prozesses diskutiert und mit den beobachteten katalytischen Leistungsunterschieden für den Festbett- und Batchreaktor in Beziehung gesetzt. In Zukunft können diese Informationen genutzt werden, um Katalysatoren mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln, um die Reaktionsbedingungen zu optimieren.