Entwicklung der Zwei-Linien-Atomfluoreszenz zur 2D-Temperaturmessung bei der Flammensynthese von Nanopartikeln

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 319267334

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung des optischen Messverfahrens der Zwei-Linien-Atomfluoreszenz (Two-Line-Atomic Fluorescence, TLAF) zur Bestimmung von Temperatur- und Konzentrationsfeldern bei der Flammensynthese von Nanopartikeln. Die Flammensynthese dient der Produktion verschiedenster funktioneller Nanopartikel aus der Gasphase mit speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften und stellt ein sehr vielseitiges und kosteneffizientes Herstellungsverfahren dar. Die Partikeleigenschaften, wie Partikelgröße, morphologie und -kristallinität, hängen wesentlich vom Temperatur-Zeitprofil in der Flamme ab. Zur gezielten Einstellung dieser Eigenschaften und als Grundlage für numerische Simulation ist daher die Kenntnis des Temperaturfeldes in solchen Flammen von zentraler Bedeutung. Existierende Ansätze zur Temperaturmessung bei der Flammensynthese sind massiv durch die Anwesenheit von Partikeln beeinflusst (z.B. Raman-Streuung), erlauben nur punktförmige Messungen (z.B. CARS-Spektroskopie) oder benötigen eine signifikante zeitliche Integration (z.B. Fourier-Transform Infrarotspektroskopie). Sie ermöglichen daher keine Erfassung von Temperaturfeldern in instationären, speziell turbulenten Flammen, wie sie bspw. für die besonders vielseitig einsetzbare Flammensprühpyrolyse genutzt werden.Diese Einschränkungen sollen mit diesem Forschungsvorhaben überwunden werden. Hierzu soll die TLAF-Technik, die schon erfolgreich für rußende Flammen genutzt wird, weiterentwickelt und erstmals gezielt für die Untersuchung in der Flammensynthese von Nanopartikeln eingesetzt werden. In der ersten Projektphase konzentrieren sich die Arbeiten auf Indium-basierte Partikelsysteme, zum einen, da dieses Material aufgrund seiner vorteilhaften optischen Eigenschaften bereits in anderen Anwendungen zur Temperaturmessung eingesetzt wurde, und zum anderen aufgrund der hohen technischen und wirtschaftlichen Relevanz des hier erzeugten Materials Indium-(III)-oxid (In2O3). Zusätzlich zur Bestimmung von Temperaturfeldern soll erstmals die Konzentrationsverteilung von atomarem Indium in der Flamme ermittelt werden.Um die zur Indium-Anregung erforderlichen Wellenlängen zu erreichen, wurden bislang meist Farbstofflaser, schmalbandige Diodenlaser oder auch ein sequentiell angeregter optisch parametrischer Oszillator (OPO) verwendet. Ein wesentlicher Vorteil der hier geplanten Vorgehensweise ist die Verwendung von zwei OPOs, da durch den quasi-simultanen Betrieb auch eine Auflösung turbulenter Flammen möglich ist. Durch die Nutzung schmalbandiger Diodenlaser zur Wellenlängenstabilisierung leistungsstarker Festkörperlaser sind hohe Laserenergien bei geringer spektraler Linienbreite und damit hohe Fluoreszenzsignale für eine zweidimensionale Signalerfassung realisierbar.Nach erfolgreicher Entwicklung und Anwendung der Technik auf Indium-basierte Partikelsysteme soll in einer zweiten Projektphase die Erweiterung auf andere Materialien erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen