KryoSpray

KryoSpray – Sprühflammensynthese von Manganoxid Nanopartikeln mit metastabiler Phasenkonfiguration durch den Einsatz kryogenen Stickstoffs

Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Förderkennzeichen: KK5312610 JO4

Status & Laufzeit

Bewilligt 01.03.2024 bis 31.08.2026

Kooperationspartner:

• HSWmaterials GmbH, Kamp-Lintfort

Zusammenfassung

Die Synthese von Nanomaterialien in der Gasphase ist eine vielversprechende Methode zur Herstellung von Materialien mit einzigartigen Eigenschaften und Anwendungen in verschiedenen Industriezweigen, dabei spielt die skalierbare Sprühflammensynthese eine wichtige Rolle um ein breites Spektrum anwendungsspezifischer Nanopartikel herzustellen. Der Prozess erlaubt insbesondere die Verwendung einer großen Bandbreite von günstigen Vorläufermaterialien und die gezielte Einstellung von Synthesebedingungen wie das Brennstoff zu Luft Verhältnis. Die Abkühlrate spielt bei allen Gasphasenprozessen zur Herstellung von Nanomaterialien eine besondere Rolle und hat erheblichen Einfluss auf die Größe, Form, Struktur und Homogenität der resultierenden Nanopartikel. Die Abkühlrate beeinflusst die Nukleation, Wachstum, Agglomeration und Aggregation der Nanopartikel. Ein großer Temperaturgradient führt zu schneller und hoher Übersättigung der Vorläuferstoffe in der Gasphase und begünstigt somit den gewünschten Prozess der homogenen Nukleation. Zudem kann eine zu schnelle Abkühlung Prozesse wie Aggregation und Koaleszenz unterdrücken, wodurch Produkteigenschaften gezielt eingestellt werden können. Weiterhin lassen sich über die Abkühlrate die Kristallinität und die chemische Zusammensetzung der Nanopartikel beeinflussen. Höhere Abkühlraten führen zu einer kurzen Verweilzeit der Partikel in der Hochtemperaturzone, was die Ausbildung kleinerer Kristallitgrößen begünstigt. Schnelle Abkühlraten können sogar zur Herstellung von amorphen oder metastabilen Phasen genutzt werden.
Das in diesem Vorhaben angestrebte Verfahren kombiniert die Vorteile der Verdünnung mit Gas mit denen der Zerstäubung von Wasser ohne die Notwendigkeit von Vakuumtechnik. Flüssiger Stickstoff  liegt bei einer niedrigen Temperatur von -196°C (77 K) vor. Dieser wird kontrolliert in das Reaktorsystem eingedüst, um damit eine abrupte Beendigung des Partikelwachstums und weiterer Reaktionen zu erzielen. Als Vergleichsprozess kommt die Sprühflammensynthese von Nanopartikeln zum Einsatz. Schema, sowie Einsatzbereich des flüssigen Stickstoffs sind in der Abbildung dargestellt.

Schematische Darstellung der Sprühflammensynthese. Der Bereich, in dem der flüssige Stickstoff eingebracht wird, ist blau hinterlegt.