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Projekt
Massenspektrometrische Charakterisierung von Prekursorchemie und Partikelwachstum in Flammenreaktoren
Antragstellerin
Professorin Dr. Tina Kasper
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2015
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262219004
Bei der Erzeugung von Nanopartikeln in Flammenreaktoren können die Partikelgröße und weitere Eigenschaften der Partikel durch die Wahl der Prekursoren und Reaktionsbedingungen gesteuert werden. In einem Flammenreaktor werden die Prekursoren in einer komplexen, reaktiven chemischen Matrix zersetzt, so dass die Wechselwirkung zwischen Flammenchemie und Prekursorchemie die Partikelsynthese beeinflusst. Gezielte Veränderungen der Gaszusammensetzung in der Wachstumszone, die Erzeugung definierter Wachstumsspezies für die Partikelbildung und die Einstellung des Temperaturverlaufs der Flamme liefern Ansatzpunkte für eine Steuerung der Partikelsynthese. Um die gewünschten Reaktionsbedingungen und Wachstumsspezies gezielt erzeugen zu können, ist ein detailliertes Verständnis der Reaktionsschritte des Prekursorzerfalls und ihrer Kinetik unerlässlich. Daher untersucht dieses Teilprojekt den Prekursorzerfall und die Bildung kleiner Partikelvorläufer in Flammenreaktoren experimentell. Mit massenspektrometrischen Methoden wird die Zusammensetzung der komplexen Gasphase während der Reaktion analysiert. Die gemessenen Daten geben Auskunft über die reaktiven Intermediate bei der Synthese. Aus dem Vergleich mit Flammen reiner Brennstoffe und Daten zum thermischen Prekursorzerfall lassen sich so Wechselwirkungen zwischen Flammenchemie und Prekursorchemie erkennen, z.B. Reaktionen der Prekursoren mit den Flammenradikalen H, O und OH, und in der Synthese nutzen. Die Wechselwirkung wird in Zusammenarbeit mit TP1 und TP8 in kinetischen Reaktionsmodellen erfasst. In diesem Teilprojekt werden zu TP1 komplementäre kinetische Informationen erhalten, die den globalen Prekursorzerfall als Summe der Elementarreaktionen beobachten und dabei den Einfluss der Flammenchemie auf den Prekursorzerfall und die Bildung der Partikelvorläufer dokumentieren. Quantitative, räumlich bzw. zeitlich aufgelöste Intermediatprofile in Flammen tragen dabei wesentlich zur Validierung der Mechanismen in TP8 bei.Für die massenspektrometrische Analyse ist eine Probennahme der Prozessgase unumgänglich. Die sehr schnelle Umsetzung der Prekursoren und Bildung der Wachstumsspezies stellen hohe Ansprüche an das räumliche Auflösungsvermögen und die Robustheit der Probenahmetechnik. Neben einer konventionellen Molekularstrahl-Probennahme mit massenspektrometrischer Detektion (molecular beam mass spectrometry, MBMS) werden daher auch ionische Gasbestandteile aus dem Flammenreaktor extrahiert und dienen als diagnostische Sonden für ihre neutralen Ausgangsmoleküle. Nach methodischen Anpassungen werden die gleichen experimentellen Techniken auch auf die Untersuchung des Wachstums der Partikelvorläufer in der Gasphase angewendet und erweitern den Messbereich von TP3 zu kleinen Massen. Die experimentelle Bestimmung des Wachstums verschiedener Partikelvorläufer trägt zu einem grundlegenden Verständnis von Partikelbildungsprozessen bei und liefert Messdaten zur Validierung von Reaktionsmodellen.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
