Untersuchung der Interaktion von Prekursor- und Flammenchemie

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Schulz; Dr.-Ing. Irenäus Wlokas
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 375692188

Die detaillierte Untersuchung der Sprayflammensynthese von Nanopartikeln betritt "chemisches Neuland". Das Verständnis der Interaktion von der für die Flamme entscheidenden Spezies (insbesondere Radikale) mit Metallatomen und Intermediaten des Prekursorzerfalls ist bisher nur für wenige Materialsysteme untersucht. Die Untersuchung und mechanistische Beschreibung dieser Interaktion ist das Ziel dieses Projektes und eine Grundvoraussetzung für die physikalisch korrekte Simulation der reaktiven Strömungssysteme der Sprayflammensynthese.Eine besondere Herausforderung liegt in der Untersuchung der Interaktion bei Prekursoren, die nicht vorverdampft werden können, sondern in Tröpfchen gelöst vorliegen. Hierzu wurde ein Matrixbrenner entwickelt, der es ermöglicht, in einer laminaren Strömung mit möglichst einfacher Geometrie die chemischen Prozesse auch für die Lösungs-basierten Prekursoren isoliert von Spraybildung, Verdampfung und Turbulenz zu untersuchen. Durch den Betrieb im Niederdruck wird die Flamme räumlich ausgedehnt und kann über Molekularstrahlverfahren (Flugzeit-Massen¬spektrometrie und Partikelmassenspektrometrie) und optische Verfahren untersucht werden. Um Störungen durch Probenahme und Auftrieb zu quantifizieren, werden die Experimente durch Strömungssimulationen begleitet.Eine zusätzliche Fragestellung hat sich durch die Arbeiten in der ersten Projektperiode ergeben: Zahlreiche Prekursoren erfordern den Einsatz von Brennstoffmischungen als Lösungsmittel, um einerseits Fällung im Tropfen zu unterbinden (oder zu kontrollieren) und andererseits den Stoffübergang zu unterstützen. Hier haben sich Lösungskomponenten bewährt, für die bisher keine Verbrennungsmechanismen vorliegen (z.B. Ethylhexansäure oder Diole). Für diese Brennstoffe müssen daher – zunächst unabhängig von den Prekursoren – Verbrennungsmechanismen entwickelt und anhand von Messungen der Flammengeschwindigkeiten optimiert werden.Die Ergebnisse der ersten Periode zeigen, dass die initialen Zerfallsschritte des Prekursors und der Lösungsmittel oft durch optimierte, globale Reaktionen gut abgebildet werden können. Die Hochtemperaturkinetik hingegen wird durch detaillierte oder skeletale Submechanismen abgebildet, die auch die Wechselwirkung mit den Metalloxid-Intermediaten beschreiben. Auf der Grundlage der Arbeiten zu eisendotierten Flammen werden die Wechselwirkungsmechanismen für Erdalkalimetalle und für Cer entwickelt und anhand von Literaturdaten und neuen Experimenten optimiert.Für die Simulationen des Syntheseprozesses, die auf eine direkte Lösung der Reaktionskinetik angewiesen sind, werden reduzierte (skeletale) Mechanismen entwickelt. Die Reduktionsmethodik basiert auf genetischen Algorithmen die auch für die Entwicklung und Optimierung eingesetzt werden, nur mit einem dem Problem angepassten Satz von Optimierzielen und Toleranzen. Dabei ist entscheidend, dass die Wechselwirkungsmechanismen zwischen der Flammenradikalen und Metalloxid-Intermediaten erhalten bleiben.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1980: Nanopartikelsynthese in Sprayflammen SpraySyn: Messung, Simulation, Prozesse
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Hartmut Wiggers