Nanopartikelfunktionalisierung
Hochspezifische partikuläre Nanomaterialien sind für zahlreiche ressourcenschonende und energieeffiziente Anwendungen hervorragend geeignet. Sie sind auf Grund ihres Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses und der damit verbundenen extrem großen spezifischen Oberfläche in besonderem Maße in der Lage, Oberflächenreaktionen zu ermöglichen, wie sie beispielsweise bei Energietransferreaktionen, im Bereich der Sensorik und in der heterogenen Katalyse entscheidend sind. Darüber hinaus bietet die hohe spezifische Oberfläche vielfältige Möglichkeiten, die Partikeleigenschaften durch Funktionalisierung zu verändern und dies für die Weiterverarbeitung von Nanopartikeln zu Funktionsmaterialien zu nutzen. Die Erforschung der Prozessierbarkeit sowohl unbehandelter als auch funktionalisierter Nanomaterialien ist daher notwendige Grundlage für die Entwicklung innovativer Verfahren und Produkte auf Basis nanopartikulärer Funktionsmaterialien.
Nanomaterialien aus der Gasphasensynthese sind zunächst hochrein, da diese meist – außer den gewünschten Elementen – keine weiteren Stoffe oder Stabilisatoren beinhalten. Dies führt jedoch in der Regel zu einer hohen Reaktivität der Oberfläche und damit zur Agglomeration bis hin zur lokalen Versinterung. Insbesondere Oxide zeigen bei Anwesenheit von Wasser(dampf) ein solches Verhalten, was durch Kondensation von Oberflächen-Hydroxylgruppen begünstigt wird. Im Zuge der Weiterverarbeitung erfolgt bei Nanomaterialien aus Gasphasensynthese sowohl aus Sicherheits- als auch aus verfahrenstechnischen Gründen eine Überführung der Partikel in die Flüssigphase. Da die Gasphasensynthese vielfach die einzige und/oder kostengünstigste Möglichkeit zur Herstellung spezifischer nanoskaliger Materialien in skalierbaren kontinuierlichen Prozessen ist, kommt dabei der Einstellung der Oberflächeneigenschaften und damit der weiteren Prozessierbarkeit (in der Regel zu stabilen Dispersionen) eine besondere Rolle zu.
Die Funktionalisierung von Nanopartikeln ist ein seit Jahrhunderten angewandtes Verfahren, um diese in Form von Kolloiden, Dispersionen und Suspensionen zu stabilisieren und weiterverarbeiten zu können.
Für die weitere Verarbeitung in der Flüssigphase durchlaufen die Materialien aus der Gasphase nach ihrer Herstellung einen weiteren sich anschließenden Verfahrensschritt (häufig ebenfalls in der Gasphase, beispielsweise in Fließ- oder Wirbelbettreaktoren), der lediglich die Einstellung spezifischer Oberflächeneigenschaften zum Ziel hat, um sie beispielsweise daran anschließend in stabile Dispersionen überführen zu können.
Am IUTA wird derzeit ein Prozess im Pilotmaßstab entwickelt, der die direkte Herstellung stabiler Dispersionen ermöglicht. Dabei soll zur Einstellung der Oberflächeneigenschaften insbesondere von der Inline-Funktionalisierung Gebrauch gemacht werden.
Danksagung:
Die IGF-Projekte 19900 BG (WARP) und 20305 N (ODIN) der Forschungsvereinigung Umwelttechnik werden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Ansprechpartner
Dr.-Ing. Sophie Marie Schnurre
schnurre@iuta.de
Tel. +49 2065 / 418 – 302
Dipl.-Phys. Tim Hülser
huelser@iuta.de
Tel. +49 2065 / 418 – 302
Aktuelle Projekte
IGF-Forschungsprojekt 19900 BG:
WARP – Entwicklung einer modularen Wasch- und Aktivierungseinheit mit Reagenzeindüsung in AC/DC-Plasmen zur Inline-Funktionalisierung und direkten Nassabscheidung von Nanopartikeln aus der Gasphasensynthese für stabile, prozessierbare Suspensionen
Laufzeit: 01.01.2018 – 30.06.2021
IGF-Forschungsprojekt 20305 N:
ODIN – Mehrphasenströmungssimulation zur verfahrenstechnischen
Optimierung der Herstellung prozessierbarer Dispersionen aus
hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln mittels direkter
Überführung in Trägerflüssigkeiten
Laufzeit: 01.03.2019 – 31.12.2021
IGF-Forschungsprojekt 19976 BG:
KatCe – Entwicklung katalytisch aktiver Materialien auf Ceroxid- und
Zirkoniumoxid-Basis für die Anwendung in Festoxid-Brennstoffzellen
Laufzeit: 01.02.2018 – 31.12.2020
IGF-Forschungsprojekt 19817 BG:
IT-PEM – Entwicklung von kostengünstigen und nachhaltigen Elektrodensystemen auf Basis von optimierten Iridium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse
Laufzeit: 01.11.2017 – 31.10.2020
IGF-Forschungsprojekt 19403 N:
Entwicklung eines Messgerätes zur Bestimmung des Oxidativen Potentials von luftgetragenen Partikeln mit Hilfe eines Particle-into-Liquid-Samplers (PILS) und der Elektronen-Spin-Resonanz-Spektrometrie (ESR)
Laufzeit: 01.03.2017 – 31.12.2019
DFG Forschungsgruppe FOR2284:
Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel
Teilprojekt “Synthese komplexer Nanomaterialien im Pilotmaßstab”
BMBF-Forschungsprojekt N3rvousSystem:
Eine 3R-Systembiologie-basierte Strategie zur Bewertung von Gefährdung, Risiko und Sicherheit neurotoxischer Substanzen im Menschen
EU-Forschungsprojekt NanoFase:
Nanomaterial Fate and Speciation in the Environment
EU-Forschungsprojekt BIORIMA:
Risk Management of Biomaterials
EU-Forschungsprojekt NanoToxClass:
Etablierung von Nanomaterial-Gruppierungs-/ Klassifizierungsstrategien auf Basis der Toxizität und zur Unterstützung der Risikobewertung
EFRE-Forschungsprojekt FunALD:
Funktionale ultradünne Werkstoffe durch Atomlagenabscheidung für die nächste Generation der Nanosystemtechnik
PEROGRAPH – Entwicklung der Elektrolyseur-Kernkomponente Membran-Elektroden-Anordnung auf Basis ressourceneffizienter Perowskit- und Graphenmaterialien für den breiten Ausbau der Wasserstoffproduktion mittels Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (IGF, (BMWK))
KATHOGRAPH – Kathoden-Katalysator-Schicht basierend auf einem porösen Graphen-Netzwerk mit hoher Korrosionsbeständigkeit und Kompressionsstabilität für die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (IGF, (BMWK))
H2O-PRO – Herstellung, Skalierung und Charakterisierung von Perowskit-Nanopartikeln für die Konstruktion neuartiger Elektroden zum Zweck der elektrolytischen Erzeugung chemischer Energieträger (IGF, (BMWK))
IT-PEM 2.0 – Entwicklung von kostengünstigen und nachhaltigen Elektrodensystemen im Pilotmaßstab auf Basis von optimierten Iridium/Ruthenium/Titanoxid-Schichten für den Einsatz in der PEM-Wasserelektrolyse (IGF, (BMWK))
GRAPHKAT – Entwicklung und Optimierung eines Herstellungsverfahrens für korrosionsbeständige graphenbasierte Materialien im Pilotmaßstab für die Anwendung als Katalysatorträgermaterial in Kathoden von Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (IGF, (BMWK))
PRODIS – Prozessierbare Dispersionen aus hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln durch Elektrophorese: Direkte Herstellung basierend auf optischer und numerischer Fallfilm-Charakterisierung sowie maßgeschneiderte Anpassung der kontinuierlichen Phase (IGF, (BMWK))
WISENT – Verfahren für die kreislaufwirtschaftliche Nutzung von Silizium mittels Gasphasensynthese (IGF, (BMWK))
SmartestMEA – Elektroden für PEMWE und PEMFC auf Basis von innovativen Support-Materialien und deren reproduzierbare Testung in einem neuartigen MEA-Testsystem (EFRE/NRW)
FOR2284: Modellbasierte skalierbare Gasphasensynthese komplexer Nanopartikel (DFG, (Bund/Länder))
SPP1980: Nanopartikelsynthese in Sprayflammen SpraySyn: Messung, Simulation, Prozesse (DFG, (Bund/Länder))
KRYOSPRAY – Sprühflammensynthese von Manganoxid Nanopartikeln mit metastabiler Phasenkonfiguration durch den Einsatz kryogenen Stickstoffs (ZIM, (BMWK))
ITC 137 Assessment of workplace exposure to chemical and biological (CEN, EU)
Publikationen
Underberg, Martin; Prenting, Markus; Sieber, Moritz; Schimek, Sebastian; Paschereit, Christian O.; Hülser, Tim; Endres, Torsten; Schulz, Christof; Wiggers, Hartmut; Schnurre, Sophie Marie
A hydrogen-based burner concept for pilot-scale spray-flame synthesis of nanoparticles: Investigation of flames and iron oxide product materials
In: Applications in Energy and Combustion Science Jg. 15 (2023) 100165
Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
Kunze, Frederik; Kuns, Stefan; Hülser, Tim-Patrick; Wiggers, Hartmut; Schnurre, Sophie M.
Validation of the silicon nanoparticle production on the pilot plant scale via long-term gas-phase synthesis using a microwave plasma reactor
In: Applications in Energy and Combustion Science Jg. 15 (2023) 100195
Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
Hattenhorst, Birk; Schnurre, Sophie Marie; Hülser, Tim-Patrick; Baer, Christoph; Musch, Thomas
Contactless Flame Reactor State Parameter Investigation Using a Broadband mm-Wave Radar
In: IEEE Sensors Letters Jg. 4 (2020) Nr. 5, 9050823
Online Volltext: dx.doi.org/
Weyell, Peter; Kurland, Heinz Dieter; Hülser, Tim-Patrick; Grabow, Janet; Müller, Frank A.; Kralisch, Dana
Risk and life cycle assessment of nanoparticles for medical applications prepared using safe- And benign-by-design gas-phase syntheses
In: Green Chemistry Jg. 22 (2020) Nr. 3, S. 814 – 827
Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
Muntean, Roxana; Pascal, Dragoş Toader; Rost, Ulrich W.; Holtkotte, L.; Näther, Johannes; Köster, Frank; Underberg, M.; Hülser, Tim-Patrick; Brodmann, Michael
Investigation of Iridium Nanoparticles Supported on Sub-stoichiometric Titanium Oxides as Anodic Electrocatalysts in PEM Electrolysis : Part I : Synthesis and Characterization
In: Topics in Catalysis Jg. 62 (2019) Nr. 5-6, S. 429 – 438
Online Volltext: dx.doi.org/
Kunze, Frederik; Kuns, Stefan; Spree, Mathias; Hülser, Tim-Patrick; Schulz, Christof; Wiggers, Hartmut; Schnurre, Sophie M.
Synthesis of silicon nanoparticles in a pilot-plant-scale microwave plasma reactor : Impact of flow rates and precursor concentration on the nanoparticle size and aggregation
In: Powder Technology Jg. 342 (2019) S. 880 – 886
Online Volltext: dx.doi.org/