DFG-Schwerpunktprogramm: Synthese von Nanopartikeln mittels Sprayflammenpyrolyse

Motivation und Projektpartner

Im Arbeitsgruppenbereich Aerosole wird in Zukunft im Rahmen eines neuen DFG-Schwerpunktprogramms zum Thema der Sprayflammenpyrolyse geforscht. Hierbei handelt es sich um ein Syntheseverfahren, welches derzeitig hohes Potential zur Herstellung industriell relevanter Nanomaterialien bietet. So konnten bereits in zahlreichen Laborarbeiten Nanopartikeln synthetisiert werden, welche über konventionelle Gasphasenprozesse nicht hergestellt werden können. Gleichzeitig sind der einfache Scale-Up und der Einsatz kostengünstiger Präkursororen wichtige Vorteile des Syntheseverfahrens. Der tatsächliche, industrielle Großeinsatz der Flammenspraypyrolyse scheiterte bislang jedoch an einem unzureichenden Prozessverständnis. So wurden die physikalischen und chemischen Wechselwirkungen innerhalb der Sprayflamme noch nicht hinreichend beschrieben, weshalb es bislang nicht möglich war, die Partikelmorphologie zu steuern. Um diese Lücke zu schließen, arbeitet das PVT nun mit den Instituten WSA und ITV der RWTH Aachen interdisziplinär zusammen. Über die Erforschung der Sprayflamme eines definierten Brennersystems wird dabei die Wirkkette der Partikelsynthese untersucht. Am PVT werden die partikelbildenden Wechselwirkungen innerhalb der Sprayflammenpyrolyse betrachtet, während in Aachen der Fokus auf die strömungstechnischen Aspekte geworfen wird. Durch die Verbindung der Ergebnisse wird in dem Schwerpunktprogramm somit erstmals ein ganzheitliches Prozessverständnis geschaffen, wodurch der industrielle Großeinsatz dieses Verfahrens in Zukunft gewährleistet werden kann. Das Schwerpunktprogramm wurde für einen Zeitraum von drei Jahren mit einer Gesamtfördersumme von rund 840.000€ bewilligt.

Arbeiten am PVT

Die Wirkkette zur Partikelbildung in der Sprayflammenpyrolyse besteht aus einer Vielzahl simultan stattfindender, physikalischer und chemischer Teilprozesse. So treten innerhalb von Sprayflammen chemischer Zerfall, Nukleation, Oberflächenwachstum, Koagulation und Sintervorgänge auf. Nach aktuellem Forschungsstand ist dabei noch unbekannt, inwiefern diese Teilprozesse die Morphologie der finalen Nanopartikeln beeinflussen. Die auftretenden Vorgänge werden am PVT nun erstmalig in einem einzigen, mehrdimensionalen Simulationsmodell vereinigt, welches durch Experimente im Technikum validiert wird. Durch die Rückkopplung von Experiment und Simulation wird somit ein praxisnahes Vorhersagemodell der Partikelbildung geschaffen. Die Entwicklung der Simulation erfolgt unter Verwendung von Populationsbilanzen in Verbindung mit Monte-Carlo-Ansätzen. Dabei kann die Entstehung von fraktalen, dreidimensionalen Partikelstrukturen simuliert werden. Für die experimentelle Synthese wird ein technischer Brenner eingesetzt, mit welchem die Sprayflamme unter definierten Umgebungs- und Betriebsbedingungen systematisch untersucht werden kann. Für die Entnahme der Proben findet dabei ein speziell entwickeltes Sondensystem Anwendung, womit die Partikeleigenschaften nach einem Quenchen online und offline verfolgt werden können. Dabei kommen die am PVT verfügbaren Analysenmethoden SMPS, TEM, und BET zum Einsatz. Damit eine möglichst gute Charakterisierung gewährleistet wird, werden Partikeln aus Eisenoxid synthetisiert. In dem Schwerpunktprogramm wird zudem der Einfluss des Strahlzerfalls auf die Partikelsynthese untersucht. Hierfür kommen verschiedene Koaxialdüsen zum Einsatz.