Nanopartikel­funktionalisierung

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.