Photoinduced polymer coating of semiconductor nanoparticles in an aerosol process
Final Report Abstract
Die Beschichtung von NP mit einer Polymerschale ermöglicht die bessere Dispergierung von Nanopulvern in sonst unverträglichen Medien wie organischen Lösungsmitteln ohne die Zugabe weiterer Stabilisatoren, wodurch die Integration weiterer NP-basierter Funktion in Polymermatrizen zugänglich wird. Darüber hinaus kann durch die Pyrolyse der Polymerschicht auch eine Graphitumhüllung der NP erreicht werden, wodurch die photokatalytische Aktivität gesteigert und die Absorption im sichtbaren Bereich des Sonnenlichtes erheblich erhöht werden kann. In der ersten Projektphase wurde ein einfacher Aerosolprozess entwickelt, bei welchem der Monomer-Dampf auf halbleitenden NP kondensiert, die dann unter UV-Bestrahlung über die Bildung von Elektron-Loch-Paaren als Starter für die Polymerisation des Monomer-Films dienen. Die Funktionsfähigkeit dieses Prozesses wurde an der Polymerummantelung von Halbleiter-NP (HNP) aus TiO2, ZnO und Fe3O4 gezeigt, welche für unterschiedliche Funktionalitäten stehen. In der zweiten Projektphase wurden zuerst die erfolgreiche Anwendung der Beschichtung von ZnO- NP mittels Aerosolphotopolymerisation zur besseren Dispergierbarkeit und der daraus folgenden erhöhten Photolumineszenz sowie die Synthese von hochaktiven photokatalytischen ZnO-NP über eine anschließende Pyrolyse nach der Polymer-Beschichtung gezeigt. Die gebildete Graphitumhüllung der ZnO-NP erhöhte nicht nur die photokatalytische Aktivität über die Reduktion der Ladungsträgerrekombination, sondern trug auch zu einer signifikanten Erhöhung der Absorption im sichtbaren Bereich bei. Über die Variation der Monomer-Menge relativ zur Oberfläche der NP konnten am System AM-Monomer und ZnO-NP gezeigt werden, dass die von der Partikeloberfläche ausgehende Polymerisation nur eine limitierte Reichweite hat. Neben den Elektron-Loch-Paaren bei Halbleitern können auch Oberflächen-Plasmonen-Resonanzen (SPR) von Edelmetall-NP die Polymerisation starten, wobei die gebildete Polymerschale allerdings öfters asymmetrisch ist. Dagegen können von außen aufgebrachte Ladungsträger, weder als positive noch als negative Ionen, die Polymerisation starten. Hier scheint ein grundlegender Unterschied zwischen angeregten Ladungsträgern und über Diffusion von außen aufgebrachten Ladungsträgern zu bestehen. Als neue Prozessvariante wurde die Zugabe von flüssigen und festen, löslichen Monomeren in eine NP- Suspension eingeführt und untersucht. Diese Sprühvariante ermöglicht auch den Zugang zu einem einfachen Scale-up. Ebenso wurde gezeigt, dass die Monomer-Dampfkondensationsmethode auch für Flammensynthesen geeignet ist, auch wenn aufgrund von Verunreinigungen, z.B. durch Kohlenstoff, mit einer etwas geringeren Polymerisationsrate. Auch Monomere mit geringeren Propagationsraten der Polymerisation können prinzipiell eingesetzt werden, wofür aber längere Verweilzeiten zu realisieren sind.
Publications
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