Untersuchungen der Reaktionskinetik von Prekursorsystemen in Stoßwellen‐ und Strömungsreaktor‐Experimenten begleitet von quantenchemisch/statistischen Rechnungen

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz; Privatdozent Dr. Holger Somnitz
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262219004

Zahlreiche technologisch wichtige Partikel-Syntheseprozesse verlaufen über Gasphasenreaktionen. Dabei werden gasförmige Prekursoren zur Reaktion gebracht und es entstehen kondensierte Reaktionsprodukte. Kenntnisse der zugrundeliegenden Kinetik sind erforderlich, um den Gesamtprozess verstehen, simulieren und optimieren zu können.Dieser Antrag setzt thematisch und methodisch die Arbeiten des laufenden Projektes TP1 fort. Es sollen Gasphasen- sowie heterogene Reaktionen von Si- und Fe-Prekursoren in Stoßwellenreaktoren und in einem Strömungsreaktor untersucht werden. Die Analyse der experimentellen Daten wird durch theoretische Arbeiten unterstützt. Die zentralen Themen dieser Phase sind:(1) Untersuchung der Reaktionskinetik von Prekursoren im Stoßwellenrohr und im Strömungsreaktor: Schwerpunkt dieser Arbeiten ist die Bestimmung der Kinetik ausgewählter Fe- und Si-Prekur¬soren. Zur Speziesdetektion werden Flugzeitmassenspektrometrie, Gaschromatographie und Laserspektroskopie eingesetzt. Für Prekursor-Reaktionen bei geringeren Temperaturen und längere Untersuchungszeiten wird ein Strömungsreaktor eingesetzt. Als zusätzliche Detektionsmethode im Strömungsreaktor wird in Kooperation mit TP7 (Dreier|Schulz) laserinduzierte Fluoreszenz zur Quantifizierung intermediärer Spezies (SiO, Fe, FeO) genutzt.(2) Untersuchung heterogener Reaktionen durch Vorlage von Partikeln im Strömungsreaktor und im Stoßwellenrohr: Heterogene Reaktionen sind sowohl in stofflich einheitlichen (Interaktion Gas -Partikel) wie in gemischten Systemen (z.B. bei der Herstellung von Kern-Schale-Strukturen) von Interesse. In diesem Kontext ist die Untersuchung der Prekursorzersetzung in Anwesenheit von Partikeln von Interesse und soll primär im Strömungsreaktor durchgeführt werden. (3) Untersuchung der Reaktionen von Si-haltigen Prekursoren mit H- und OH-Radikalen: diese Reaktionen spielen während der Partikelsynthese in Flammen eine wichtige Rolle. Zum Nachweis werden Radikalreaktionen mit H- und OH-Spezies mit Atom-Resonanz-Absorptionsspektroskopie und Farbstoffringlaser-Absorptions¬spek¬tro¬skopie zeitaufgelöst verfolgt.(4) Bestimmung der Absorptionsquerschnitte von SiO und FeO im Stoßwellenrohr: SiO und FeO sind wichtige Intermediate während der Synthese von Silizium- und Eisenoxid-Nano¬par¬tikeln und Schichten. Über laserinduzierte Fluoreszenz wurden in TP7 in der ersten Antragsperiode relative SiO-Kon¬zen-trations¬verteilungen bestimmt. Die für die Quantifizierung erforderlichen spektroskopischen Daten sind aber in der Literatur nur unzureichend dokumentiert. Daher ist es erforderlich, Absorptionsquerschnitte dieser Intermediate im Stoßwellenrohr zu bestimmen. (5) Quantenchemische und statistische Rechnungen: Für die Themenfelder 1 und 3 liefert die quantenchemische Charakterisierung obiger Reaktionen und Moleküle thermochemische und kinetische Daten relevanter Zerfallskanäle, die die Entwicklung von Reaktionsmechanismen und Struktur-Reaktivitäts-Relationen unterstützen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2284: Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel
• Mitverantwortlich: Dr. Mustapha Fikri