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Projekt
Reaktionen der Prekursoren für die Sprayflammensynthese von Nanopartikeln bei einer partiellen Sprayverdampfung
Antragstellerin
Professorin Dr. Tina Kasper
Fachliche Zuordnung
Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2017
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 375856814
Die Sprayflammensynthese stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung funktionaler Nanomaterialen dar. Das Spray dient dazu, schwer verdampfbare Prekursoren in die Dampfphase zu überführen. Die thermische und chemische Struktur der Sprayflammen deutet darauf hin, dass chemische Reaktionen in den verschiedenen Zonen der Flammen unter sehr unterschiedlichen Reaktionsbedingungen ablaufen.Die Arbeiten in diesem Projekt konzentrieren sich auf die Reaktionen von Prekursoren und Lösungsmitteln in der Spraybildungszone im Zentrum der Flamme. In dieser Zone werden nur vergleichsweise niedrige Temperaturen unter 1000 °C erreicht und die chemische Reaktionsumgebung wird durch Sauerstoff, das Lösungsmittel und kleine Mengen an Wasser und Prekursor bestimmt. Chemische Reaktionen der Prekursoren und des Lösungsmittels werden von der Spraybildung und -verdampfung begleitet. Offene Fragestellungen dieses Teilprozesses der Sprayflammensynthese sind, welche Reaktionen in der Flüssigphase und welche Reaktionen in der Gasphase während der Sprayverdampfung ablaufen. Die Reaktionsprodukte beeinflussen nachfolgende Reaktionswege, einschließlich der Bildungswege von Nanopartikeln. Nanopartikel werden typischerweise auf zwei Wegen gebildet, dem "Tröpfchen zu Teilchen"-Pfad und dem "Gas zu Teilchen"-Pfad. In der zweiten Projektphase werden drei Teilprozesse untersucht: Flüssigphasenreaktionen, die während des langsamen Erhitzens der flüssigen Lösungsmittel/Prekursor-Lösung auftreten, werden durch eine detaillierte chemische Analyse der Zusammensetzung der Lösung durch Elektrospray-Massenspektrometrie und Gaschromatographie identifiziert. Dieses Experiment bestimmt, welche Prekursoren bereits in der flüssigen Phase reagieren. Reaktionen, die während der teilweisen Verdampfung des Sprays auftreten, werden in einem Rohrreaktor untersucht. Hierbei werden die thermischen Umsetzungen der Prekursoren von den Radikalreaktionen in der Flamme isoliert, indem auf die Zündung des Sprays verzichtet und der Reaktor stattdessen extern beheizt wird. Die Versuche zeigen, wie die Prekursoren und Lösungsmittel beim Verdampfen des Sprays chemisch wechselwirken und welche Intermediate in den Reaktionen gebildet werden und in der Gasphase vorliegen. Die Folgereaktionen der aus den Prekursoren gebildeten Intermediate mit Flammengasen werden in einer Kombination aus einem Rühr- und Strömungsreaktor untersucht. Diese Experimente identifizieren die Reaktionsmuster der kleinen Prekursor-Intermediate zu Clustern und Nanopartikeln.Alle Experimente beruhen auf massenspektrometrischer Diagnostik zur Speziesidentifikation und Konzentrationsmessung. Ein spezielles Probennahmeverfahren für geladene Spezies erlaubt es auch die Ionen nachzuweisen, die in Sprays salzhaltiger Lösungen erwartet werden.Die chemischen Erkenntnisse aus diesem Projekt dienen zur Formulierung von Reaktionsmechanismen und unterstützen damit die Gesamtsimulation der Sprayflammensynthese innerhalb des SPP.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
