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 Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V. (IUTA) 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

IGF-Forschungsprojekt 20305 N:
ODIN – Mehrphasenströmungssimulation zur verfahrenstechnischen
Optimierung der Herstellung prozessierbarer Dispersionen aus
hochspezifischen gasgetragenen Nanopartikeln mittels direkter
Überführung in Trägerflüssigkeiten

IGF-Forschungsprojekt 19976 BG:
KatCe – Entwicklung katalytisch aktiver Materialien auf Ceroxid- und
Zirkoniumoxid-Basis für die Anwendung in Festoxid-Brennstoffzellen

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

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 - 31.08.2019

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-Nanosystematik