Wie funktionieren chemische Reaktionen in Mahlkörpermühlen? - Qualitative und quantitative Kräfte bei mechanochemischen Reaktionen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Lars Borchardt, Ph.D.; Professorin Dr.-Ing. Sandra Breitung-Faes
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462608944

Mechanochemie wurde kürzlich durch die IUPAC als eine der vielversprechendsten Technologien der Zukunft ausgezeichnet. Durch sie können chemische Reaktionen in gänzlicher Abwesenheit von Lösungsmitteln, deutlich zeit-, ressourcen- und energie-effizienter durchgeführt werden, als konventionelle nasschemische Verfahren es erlauben. Sie bedient sich mechanischer Energie um chemische Bindungen zu brechen, neuzuknüpfen und somit chemische Reaktionen zu ermöglichen. Diese Reaktionen werden vielfach in Mahlkörpermühlen durchgeführt. In den vibrierenden oder rotierenden Mahlbehältern kollidieren Mahlkugeln miteinander und transferieren so mechanische Energie auf die Reaktanden. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedenste Theorien vorgeschlagen, die die mechanistischen Grundlagen dieser Reaktionen zu erklären versuchen. Keine dieser Theorien kann jedoch allein die vielfachen Beobachtungen und die Vielfältigkeit mechanochemischer Reaktionen hinreichend erklären. Die zentrale Frage der Mechanochemie bleibt weiterhin: „Wie funktionieren mechanochemische Reaktion? - Ist Mechanochemie nur Mischen und Reaktionen verlaufen über klassische thermische Reaktionspfade oder sind tatsächlich mechanische Kräfte der Initiator der chemischen Konversion?“ Mit diesem Projektantrag wollen wir zur Beantwortung dieser Frage beitragen, indem wir mechanische Kräfte in Kugelmühlen qualifizieren und quantifizieren. Wir betrachten diese Frage von einer experimentellen sowie theoretischen Perspektive, indem wir Simulationen auf zwei Größenordnungen entwickeln und experimentell Modellreaktionen in verschiedenen Mühlentypen durchführen. Dies soll es uns erlauben zwischen den verschiedenen Beanspruchungsmechanismen Scher-, Druck- oder Prallbeanspruchung zu unterscheiden, ihren Anteil in verschiedenen Mühlentypen zu quantifizieren und mit der chemischen Konversion verschiedener Modelreaktionen zu korrelieren. Diese Reaktionen werden wir zudem in heiz- / kühlbarer Mühlen unter isothermen Bedingungen durchführen umso thermische und mechanische Effekte voneinander zu entkoppeln. Wir haben dazu ein interdisziplinäres Team aus experimentellen Chemikern (AK Borchardt) und Ingenieuren (AK Breitung-Feas) zusammengestellt, die diese Fragestellungen von diesen zwei Blickpunkten aus bearbeiten werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen