Massenspektrometrische Charakterisierung von Prekursorchemie und Partikelwachstum in Flammenreaktoren

Flammenreaktoren werden häufig zur Synthese von Metalloxid-Partikeln eingesetzt, da sie einen gut skalierbaren Syntheseprozess ermöglichen. Die Prekursoren werden jedoch in der komplexen, reaktiven chemischen Matrix einer Syntheseflamme zersetzt, so dass Wechselwirkungen zwischen Flammenchemie und Prekursorchemie die Partikelbildung beeinflussen. Gezielte Veränderungen der Matrix und des Temperaturverlaufs der Flamme liefern Ansatzpunkte für eine Steuerung der Partikelsynthese. Für die gezielte Synthese-Planung ist die Kenntnis der kinetischen Detailschritte daher unerlässlich.

Das Ziel des Teilprojekts TP2 der FOR2284 ist es, ein detailliertes Verständnis der Reaktionsschritte des Prekursorzerfalls und ihrer Kinetik zu entwickeln und die für das Partikelwachstum relevanten Intermediate zu identifizieren. Insbesondere die ersten Reaktionsschritte sind für verschiedene Prekursoren unterschiedlich und bieten so die Option, über eine gezielte Erzeugung geeigneter Intermediate die Synthese zu beeinflussen. Durch Variation der Flammenbedingungen sollen Steuergrößen für den Prozess, wie z.B. Temperatur oder Radikalkonzentrationen, aufgefunden werden.

Die Gasphase der Syntheseflammen wird mit Hilfe von massenspektrometrischen Methoden detailliert analysiert. Für die vorangehende Probennahme aus den Flammen stehen zwei unterschiedlich sensitive Verfahren zur Verfügung: eine konventionellen Molekularstrahl-Probennahme (MBMS) und die Extraktion ionischer Intermediate mit einem neuartigen Ionen-Interface. Die MBMS-Messungen liefern räumlich aufgelöste, quantitative Speziesprofile der Zerfallsprodukte der Prekursoren und kleiner intermediär gebildeter Cluster. Die Messungen mit dem Ionen-Interface stellen qualitative Spezies-Profile schwer zugänglicher Intermediate bereit.

Durch systematische Variation der Prekursorstruktur und der Flammenbedingungen, wird die Datenbasis aus der ersten Projektperiode erweitert, um über die Modellentwicklung hinaus Gesetzmäßigkeiten für die Reaktivität der Prekursoren und für den Einfluss der Flammenbedingungen auf die Partikelbildung abzuleiten und sie in Design-Regeln verlässlich zu formulieren. Die Charakterisierung der Syntheseflammen für Siliziumdioxid Nanopartikel erfolgt hauptsächlich durch MBMS-Messungen mit Elektronenionisation und neu in der zweiten Projektperiode auch mit Photoionisation. Die Daten dienen als Ausgangspunkt für die Entwicklung und Validierung von kinetischen Reaktionsmodellen in der Forschungsgruppe.

Messungen mit dem Ionen-Interface stellen für eisenhaltige Systeme eine gute Alternative zur MBMS dar, da Probennahmedüse weniger schnell verstopft. Diese Technik wird benutzt, um die Zerfallsprodukte der Prekursoren und wichtige Intermediate im Partikelsynthese-Prozess zu identifizieren. Erste Konzepte zur Quantifizierung der experimentellen Speziesprofile werden in der zweiten Projektperiode optimiert, um die Modellentwicklung für Eisenpentacarbonyl und Eisenacetylacetonat besser unterstützen zu können.

Projektleitung:

Prof. Dr. Tina Kasper
Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Tel.: +49 203 379-1854
E-Mail: tina.kasper@uni-due.de
https://www.uni-due.de/ivg/mrs/