Reaktion von Vorläufer/Lösungsmittel-Mikrotropfen in begrenzten 2-D-Mikroströmungen für die maßgeschneiderte Synthese von Nanomaterialien

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lutz Mädler
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 509113367

Die Flammensprühpyrolyse (FSP) ist eine robuste Technik, mit der chemisch komplexe Partikel durch Aerosolverbrennung von Vorläufer-/Lösungsmittel-Tröpfchen synthetisiert werden können. Die brennenden Mikrotropfen selbst können als räumlich begrenzte Mikroreaktoren betrachtet werden. Der Kerngedanke unserer Arbeit besteht darin, über die konventionelle FSP hinauszugehen und die brennenden Mikrotröpfchen innerhalb einer Hele-Shaw-Zelle räumlich weiter einzuschränken, wodurch eine neuartige Anordnung von Mikroreaktoren innerhalb eines Mikroreaktor entsteht. Ein solche Technik ermöglicht präzise grundlegende Untersuchung der Variationen in den chemischen Eigenschaften und der physikalischen Dynamik für reagierende Tröpfchen, die in einer Dimension begrenzt werden. Auch die Definition der Reaktionsumgebung mit spezifischen Parameterverläufen für einzelne Mikrotropfen ist entscheidend, um Nanopartikel mit maßgeschneiderter chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur in skalierbarer, einheitlicher und konsistenter Weise zu entwickeln. Ziel des vorgeschlagenen Programms ist die Untersuchung der Mechanismen der Umwandlung von Tröpfchen in Partikel in einer begrenzten Umgebung durch den Einsatz eines reaktiven mehrphasigen 2D-Mikroströmungssystems mit kontrollierten einzelnen reagierenden/brennenden Flüssigkeitsvorläufer-/Lösungströpfchen in genau einstellbaren Umgebungen. Die Möglichkeit, die Prozessbedingungen entlang des Weges eines Mikrotropfens zu definieren, sollte es ermöglichen, qualitativ hochwertige und maßgeschneiderte Nanopartikel in einem kontinuierlichen System herzustellen. Der Mikrotröpfchenreaktor kann große Heiz- und Kühlraten erreichen, was sich auf die detaillierte Chemie und den Transport unter weit vom Gleichgewicht entfernten Bedingungen auswirkt. Einzelne Tröpfchen können mit temperaturgesteuerten Wänden untersucht werden, um Verbrennungs- oder Abschreckungsreaktionen aufrechtzuerhalten, wobei die Tröpfchen und die entstehenden Nanomaterialien an verschiedenen Stellen (die mit unterschiedlichen Verweilzeiten korrelieren) charakterisiert werden können, wodurch die Reaktionskinetik und die Entwicklung der Nanomaterialien gemessen werden können. Brennende Tröpfchen können mit brennenden/nicht brennenden Tröpfchen verschiedener Vorläuferstoffe koaleszieren. Der Aufbau eignet sich für eine Vielzahl von In-situ-Diagnosen, einschließlich laserbasierter Spektroskopie, Hochgeschwindigkeits-Bildgebung, interferometrischer Partikelabbildung und Regenbogen-Refraktometrie. Ex-situ-Charakterisierung und rechnerische Modellierung werden durchgeführt, um die Experimente zu verstehen, zu optimieren und zu steuern. Das Team von Mädler und Tse verfügt über ein einzigartiges multidisziplinäres Fachwissen in den Bereichen Verbrennung, Materialsynthese, theoretische und numerische Modellierung, Verfahrenstechnik und fortschrittliche Charakterisierungstechniken sowie über frühere gemeinsame Arbeiten, um die vorgeschlagenen Arbeiten durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Stephen Tse, Ph.D.