Spontaneous uptake dynamics of gaseous and liquid n-alcohols in nanoporous Vycor Glass

Abstract

This work focusses on the experimental study of transport dynamics for different n-alcohols in the spatial confinement of a three-dimensional, isotropic network of meandering, cylindrical nanopores (radius r ≈ 5 nm) in monolithic Vycor glass. Due to the high surface-to-volume ratio, interfacial effects are particularly important in nanoporous materials. Two such phenomena are the adsorption of molecules from a surrounding vapour phase as well as a spontaneous capillary rise into the pore space when in contact to a liquid. Using dielectric spectroscopy, the dynamic uptake of molecules has been studied for both individual processes and a combination thereof. As a result of the strong interactions of n-alcohols with the silica surface of the Vycor matrix, a fixed boundary layer can form on the pore walls exhibiting properties different from the remaining pore filling. The equilibrium states and kinetics of adsorption can be used to determine the extent and mobility of this layer as a function of pore loading. Moreover, since the radius of the nanopores is comparable to molecular dimensions, a significant change in the hydrodynamic boundary condition ensues for liquid transport. This has been investigated for stationary, pressure-driven flows and spontaneous capillary flows as a function of the molecule length.

Im Fokus dieser Arbeit steht die experimentelle Untersuchung der Transportdynamik verschiedener n-Alkohole in der beschränkten Geometrie eines dreidimensionalen, isotropen Netzwerks von mäandrierenden, zylinderförmigen Nanoporen (Radius r ≈ 5 nm) in monolithischem Vycor-Glas. Aufgrund des hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses sind Grenzflächeneffekte in nanoporösen Materialien von besonderer Bedeutung. Zwei solche Phänomene sind die Adsorption von Molekülen aus einer umgebenden Dampfphase sowie ein spontanes Kapillarsteigen in den Porenraum im Kontakt mit einer Flüssigkeit. Mittels dielektrischer Spektroskopie wurde die dynamische Aufnahme von Molekülen für die einzelnen Mechanismen und eine Überlagerung beider Prozesse untersucht. Durch starke Wechselwirkungen der n-Alkohole mit der Siliziumoxidoberfläche der Vycor-Matrix kann sich an den Porenwänden eine gebundene Grenzschicht ausbilden, die sich in ihren Eigenschaften von der restlichen Porenfüllung unterscheidet. Gleichgewichtszustände und Kinetik der Gasadsorption können zur Bestimmung der Ausdehnung und Mobilität der Wandlage in Abhängigkeit der Porenfüllung genutzt werden. Da der Radius der Nanoporen zudem vergleichbar mit molekularen Größenordnungen ist, ergibt sich für den Transport von Flüssigkeiten eine signifikante Änderung der hydrodynamischen Randbedingung. Diese wurde für stationäre, druckgetriebene Flüsse und dynamische Kapillarflüsse in Abhängigkeit der Moleküllänge ermittelt.