Einfluss der kontinuierlichen Prozessführung auf die Bildung und die Eigenschaften von Nanopartikeln
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von kontinuierlichen Synthesen für drei
unterschiedliche Nanomaterialsysteme. Basierend auf in der Literatur vorgestellten Synthesewegen
werden die unterschiedlichen Einflussgrößen auf die Partikelbildung und -eigenschaften bei der
Übertragung auf ein kontinuierliches Verfahren detailliert untersucht.
Es fand eine Entwicklung statt für Cu0-Nanopartikel, Cu/ZnO-Nanokatalysatoren und für CdSe und
CdSe@ZnS Quantum Dots. Für alle Materialsystem wurden mehrere Phasen der Prozessentwicklung
durchlaufen und die Technik der Mikrofluidik für die Synthese genutzt.
Für die Kupfernanopartikel lag der Fokus auf der Entwicklung von sphärischen Partikeln mit einer
Größe < 10 nm. Hierfür wurde eine zweiphasen Liquid-Liquid-Reduktion genutzt. Für mehrere
Prozessparameter wurde ein Screening der Synthese durchgeführt. Es wurde das beste
Lösemittelgemisch ermittelt, passende Tenside identifiziert, verschiedene Reduktionsmittel
untersucht und die Reaktionskinetik umrissen. Mit diesen Erkenntnissen konnte eine Anlage im
Mikroplant Maßstab aufgebaut werden, mit welcher Partikel mit einer Größe von etwa 2 nm und
einem Durchsatz von 27 g h-1 hergestellt werden konnten.
Die Kupferpartikel des vorigen Kapitels wurden auf verschiedenen Wegen mit ZnO kombiniert, mit
dem Ziel einen wirksamen Katalysator für die Methanolsynthese zu erzeugen. Dabei zeigte sich die
Fällung der Partikel in ein Zinkoxalatgel als am aussichtsreichsten. Die Parameter bei der Herstellung
des Gels wurden hinsichtlich der Gelstabilität hin optimiert. Anschließend wurden mehrere
Katalysatoren hergestellt und auf ihr Wirksamkeit bei der Methanolsysthese untersucht. Dazu wurde
sowohl eine Festbett- als auch eine Mikrokanalreaktor genutzt. Der erzeugten Katalysatoren zeigten
eine hohe Selektivität für Methanol und gute Langzeitstabilität. Die Produktivität blieb noch hinter der
eine kommerziellen Methanolkatalysators zurück. Es konnten jedoch Wege zur Verbesserung des
entwickelten Katalysators aufgezeigt werden. Für das beste der entwickelten Materialsysteme wurde
eine Anlage aufgebaut mit einem Durchsatz von 200 g h-1 an Katalysatormaterial.
Zur Herstellung von CdSe Quantum Dots wurde ein innovativer mikrofluidischer Reaktor namens
HIMIX in Betrieb genommen. Dieser Kapillarreaktor wurde mit alternativen kontinuierlichen
Herstellungssystemen verglichen und zeigte sich als hervorragend für die exakte Prozesskontrolle. Es
fand ein Screening der Prozessbedingungen Temperatur und Verweilzeit statt. Mit diesen Daten
konnte nicht nur das Intervall der herstellbaren Größen und optischen Eigenschaften festgelegt
werden, es wurde auch ein Schema für die gezielt Produktion einer Wunschgröße erarbeitet.
Der Einfluss verschiedener Parameter auf die Fluoreszenz dieser Quantum Dots wurde untersucht und
erklärt. Durch die Optimierung der Prozessleittechnik konnten die Schwankung der Prozessparameter
so weit reduziert werden, dass die mittlere Partikelgröße des Reaktoraufbaus lediglich um etwa eine
Elementarzelle schwankt. Es wurde eine Anlage aufgebaut um auf die CdSe Quantum Dots
kontinuierlich eine Schale aus ZnS aufwachsen lassen zu können. Hierdurch konnte nicht nur die
Quantenausbeute deutlich gesteigert werden, auch das Intervall der herstellbaren
Fluoreszenzwellenlängen konnte erweitert werden.
Die Prozessentwicklung in vier Phasen zeigte sich in allen Entwicklungsblöcken dieser Arbeit als sehr
gut geeignet um Experimente sinnvoll zu gliedern und schnell zu Ergebnissen zu kommen. Ebenfalls
zeigte sich, dass die Mikrofluidik sehr gut geeignet ist, für nasschemische Nanopartikelsynthesen.