Reaktive Fluide

Sprühflammenreaktor

Ein industriell skalierbares einstufiges Verfahren zur Synthese von Oxiden mit enger Größenverteilung und mehreren Komponenten ist sehr gefragt. Die Sprühflammensynthese (SFS) steht aufgrund ihrer hohen Flexibilität in Verbindung mit geringen Kosten für Vorläufer, Lösungsmittel und Ausrüstung an vorderster Front solcher Verfahren. Sie besteht aus einem Pilotreaktor und einer Zweistoff-Sprühflamme, wobei letztere die gewünschten Materialien erzeugt. Ein ausgeklügeltes Prozessdesign der SFS umfasst die Vorbereitung der Lösungen der Vorläuferstoffe, gefolgt von deren Zerstäubung und Verbrennung, was zu homogenen, präzise kontrollierten Mehrkomponentenpartikeln führt. Da es sich in vielen Fällen um einen einstufigen Prozess handelt, entfällt zudem die Nachbearbeitung des synthetisierten Materials. Eine SFS kann je nach Zweck ein offenes oder geschlossenes System sein.

Als kontinuierliches Syntheseverfahren können wichtige Materialeigenschaften wie Phasenzusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Oberfläche, stöchiometrisches Verhältnis usw. während der gesamten Reaktion angepasst und konstant gehalten werden. Die ursprünglichen Metallvorläufer sind kostengünstige und leicht verfügbare Nitrate. Als Lösungsmittel können hingegen verschiedene Substanzen verwendet werden, von Ethanol bis hin zu unpolarem Toluol. Je nach Beschaffenheit der gewünschten Materialien können die Vorläufer, Lösungsmittel und Brennstoffe (z. B. Methan, Sauerstoffflamme), der Reaktordruck usw. angepasst werden.

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Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Sprühflammenreaktors (links) und Foto unseres Laborsystems (rechts).

In unserem Labor verfügen wir über druckgeregelte, geschlossene Reaktoren mit einer Pilotflamme aus Methan und Sauerstoff. Darüber hinaus wird Sauerstoff verwendet, um die Vorläuferlösung in einen Sprühnebel aus Tröpfchen umzuwandeln, der anschließend mit Hilfe der Pilotflamme verbrannt wird. Die Pilotflamme und später die Sprühflamme werden in der Regel mit Druckgas stabilisiert, das durch eine Sintermatrix geleitet wird. Die erzeugten Partikel werden stromabwärts gesammelt. Zusammen mit Kollegen aus dem DFG-geförderten Schwerpunktprogramm SPP 1980 haben wir den SpraySyn2-Brenner für detaillierte experimentelle Untersuchungen und Simulationen der Verbrennungs- und Partikelbildungsprozesse entwickelt. Das geschlossene Reaktorsystem ermöglicht eine präzise Steuerung des Brennstoffverhältnisses, des Reaktordrucks, des Quenchgas-Massendurchflusses, der Vorläufer-Zufuhrrate usw., was bei der Gestaltung der Eigenschaften von Nanopartikeln wie Partikelgröße, Form, Oberflächeneigenschaften usw. hilfreich ist. Natürlich verfügen wir in unserem Labor über Sprühflammenreaktoren, die leicht modifiziert werden können, um die Anforderungen für die Herstellung des Zielmaterials zu erfüllen. Darüber hinaus kann der Brenner von SFS so modifiziert werden, dass ein fester Vorläufer mit einem geeigneten Zerstäuber verwendet werden kann.

Literatur:

F. Schneider, S. Suleiman, J. Menser, E. Borukhovich, I. Wlokas, A. Kempf, H. Wiggers, C. Schulz, SpraySyn – A standardized burner configuration for nanoparticle synthesis in spray flames, Rev. Sci. Instrum. 90 (2019) 085108, DOI: 10.1063/1.5090232

Heißwandreaktor

Heißwandreaktoren, auch Freiraumreaktoren oder Rohröfen genannt, sind eine Klasse von Reaktoren, die sich gut für die kontinuierliche Herstellung von Nanomaterialien unter streng kontrollierten Bedingungen eignen. Typischerweise wird ein gasförmiger Vorläufer in das Reaktorrohr eingeführt, das elektrisch auf Temperaturen von 600 bis 1800 °C erhitzt wird. Unter Einwirkung hoher Temperaturen zersetzt sich der Vorläufer (z. B. SiH4) und bildet kondensierbare Spezies (z. B. Si), die nukleieren und zu dem gewünschten Nanomaterial heranwachsen können. Dieser Vorgang wird als chemische Dampfsynthese (CVS) bezeichnet.

Ein bemerkenswerter Vorteil dieser Technik ist ihre gute Skalierbarkeit, in der Regel durch Parallelisierung und Aufrüstung. Das EMPI-RF-Labor verfügt über Heißwandreaktoren unterschiedlicher Größe, von denen der größte Materialien mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 kg/Stunde produzieren kann. Für ein Nanomaterial mit genau definierter Größe und Zusammensetzung ist dies eine enorme Kapazität, die weltweit nur wenige Forschungsinstitute bieten können.

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Abbildung 2: Bild unseres größten Heißwandreaktors und der Gasversorgung.

Heißwandreaktoren sind von besonderem Interesse für die Synthese nichtoxidischer Materialien und Verbindungen. Derzeit werden die Heißwandreaktoren vor allem zur Herstellung siliziumbasierter Materialien für Anwendungen in Lithium‑Ionen‑Batterien eingesetzt. Neben reinem Silizium werden unterstöchiometrisches Siliziumnitrid (SiNx) und amorphes Siliziumkarbid (a‑SiCx) als aktive Anodenmaterialien hergestellt und untersucht. Sie sind sehr vielversprechend aufgrund ihrer hohen Lithiationskapazität (wodurch die in einer Batterie speicherbare Energie steigt) und bieten gleichzeitig deutlich längere Lebensdauern als reines Silizium.

Literatur: 

H. Wiggers, R. Starke, P. Roth, Silicon Particle Formation by pyrolysis of Silane in a Hot Wall Gasphase Reactor, Chem. Eng. Technol., 24(3) (2001) 261–264. doi.org/10.1002/1521-4125(200103)24:3<261::AID-CEAT261>3.0.CO;2-K