Das Anfangsstadium der Bildung anorganischer Nanopartikel in Flammen: Die Rolle des thermischen Nichtgleichgewichts

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz; Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 543853173

Die Flammensynthese von Nanomaterialien gewinnt zunehmendes Interesse, da sie hochreine Nanopartikel aus fast allen Elementen in kontinuierlichen, skalierbaren, einstufigen Prozessen und zu moderaten Kosten liefern kann. Ein Schlüssel zur prädiktiven, modellbasierten Flammensynthese ist die genaue Kenntnis der Temperatur- und Konzentrationsgeschichte des entstehenden Partikelaerosols, da diese die Zusammensetzung, Kristallinität und Morphologie des Produkts beeinflusst. In diesem Projekt konzentrieren wir uns auf die Bildung und Entwicklung von Nanopartikeln in eisendotierten Flammen – ein System, das für viele andere Übergangsmetalle prototypisch ist, sowohl hinsichtlich der starken Kopplung von Vorläuferchemie und Flammenkinetik, die die lokalen Reaktionsbedingungen beeinflusst, als auch hinsichtlich der technologischen Bedeutung. Trotz der Fortschritte, die beim Verständnis des Mechanismus der Bildung von Eisenoxid-Nanopartikeln erzielt wurden, stützen sich numerische Simulationen von Flammensyntheseprozessen mit Nanopartikeln bisher auf isotherme Modelle, die davon ausgehen, dass die Partikel vollständig mit dem sie umgebenden Gas im thermischen Gleichgewicht sind, einfach um eine zusätzliche interne Koordinate im Populationsgleichgewichtsmodell zu vermeiden und weil die Details des Thermalisierungsprozesses nicht ausreichend verstanden sind. Die Annahme, dass die Partikel mit der Gasphase isotherm sind, ist bestenfalls eine Vereinfachung um den Modellierungsaufwand zu verringern, aber sie ist oft unzureichend und kann zu einer fehlerhaften Analyse der experimentellen Beobachtungen führen. Das Wachstum von Nanopartikeln erfolgt durch Kondensation und Koagulation parallel zu Oxidation, Reduktion und oberflächenvermittelter Rekombination, die alle die Partikel aufheizen. Gleichzeitig kühlen die Teilchen durch Verdampfung, Wärmeleitung, Strahlung und thermionische Emission ab. Diese Prozesse führen dazu, dass die Partikeltemperatur je nach Stadium der Partikelbildung unter, gleich oder über der Gastemperatur liegen kann. Erst kürzlich haben wir durch optische Emissionsspektroskopie und stochastische Simulation diskreter Kollisionen erste quantitative Nachweise für eine signifikante Erhöhung der Partikeltemperatur gegenüber der Gasphase erbracht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nicht-Gleichgewichtstemperaturen in der Partikelsynthese ein allgegenwärtiges Phänomen sind, das die Vorläuferreaktionen und das Teilchenwachstum erheblich beeinflussen kann. Solche Effekte wurden bisher weitgehend übersehen und sind nur unzureichend verstanden. Das Projekt zielt darauf ab, mit Hilfe von Experimenten und Modellen die Korrelation zwischen Flammenparametern (Äquivalenzverhältnis, Flussrate, Brennstoffart, Präkursor-Beladung und -zusammensetzung) und Nicht-Gleichgewichtstemperatur der entstehenden Eisen(oxid)-Partikel zu erforschen, und deren Auswirkung auf die Struktur der Syntheseflamme und die Produkteigenschaften aufzudecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Andreas Kempf
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Igor Rahinov, Ph.D.