Die Ziele des Bereichs Reaktives Sprühen unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Mädler umfassen das Design von Sprayprozessen, die durch Reaktionen in der Gas- und Flüssigphase die Synthese von komplexen partikulären Materialien ermöglichen. Gleichzeitig wird die in-Prozess Verarbeitung dieser Materialien erforscht (z.B. Funktionalisierung, Mischung, Beschichtung) und die Synthesewege mit Prozessoptimierung und -auslegung für spezifischen Anwendungsanforderungen verknüpft.
Damit umfasst der Bereich Reaktive Sprühtechnik folgende Forschungsschwerpunkte in Theorie und Experiment:
- Synthese von funktionalen Nanopartikeln und nanostrukturierten Oberflächen
- Herstellung und Charakterisierung von dispersen Materialien und porösen Schichten
- Reaktordesign und -entwicklung für reaktive Sprühanwendungen zur Synthese von Funktionsmaterialien und -schichten
- Hochdurchsatzverfahren und Material-Prozess-Daten für die experimentelle Materialentwicklung
In Einzeltropfenexperimenten werden die wissenschaftliche Grundlagen der Mechanismen erforscht, die bei der Verbrennung von und Explosion im Einzeltropfen wirken. Im etablierten Verfahren Flammsprühpyrolyse werden im ersten Schritt metallorganische Fluide (Prekursoren) in feine Tropfen zerstäubt, die im zweiten Schritt in einer Flamme reagieren und zu Nanopartikeln synthetisieren. Für ein maßgeschneidertes Endprodukt ist ein tiefes Verständnis der Abläufe und des Zusammenspiels von Zerstäubung, Reaktionskinetik, Nukleation, Koagulation und Kondensation in Mehrphasenströmungen notwendig.
Mit Mehrfachflammensystemen, die in den letzten Jahren im Bereich entwickelt wurden, können gezielt Multikomponentensysteme erzeugt werden, in dem in zwei oder mehreren Flammen synthetisiert wird. Durch definierte Interaktion der Partikel können dabei die Eigenschaften des neuen Materials eingestellt werden.
Die langjährige Expertise auf diesem Gebiet, beginnend mit der konzeptionellen Idee und der Reaktorentwicklung, ermöglichte die Herstellung von neuen Materialien und Produkten, die in der Katalyse, Gassensortechnik, als multifunktionaler Füllstoff (z.B. Zahnersatzmaterialen), optischen Materialien und in flexiblen elektronischen Beschichtungen zum Einsatz kommen. Diese Anwendungen werden stets auch in der Theorie und mit Simulationen grundlagenwissenschaftlich erforscht (DEM, DSMSC, CFD und entsprechende Kopplungen). Darüber hinaus stellt die Arbeitsgruppe Nanomaterialien mit definierten Eigenschaften her und untersuchen deren bio-nano-Wechselwirkungen in zahlreichen Kooperationen mit Forschungsinstituten und der Industrie in Deutschland, Europa, USA und Australien.
Projekte der Reaktiven Sprühstechnik
Eisen-Dampf-Prozess zum Transport und zur Speicherung von Wasserstoff (Me2H2)
Wasserstoff ist für die industrielle Dekarbonisierung unverzichtbar, aber die benötigten großen Mengen können nicht allein durch heimische erneuerbare Energien gedeckt werden. Daher sind umweltfreundliche Methoden für den Transport und die Speicherung von Wasserstoff in großem Maßstab von entscheidender Bedeutung. Das Eisen-Dampf-Verfahren bietet eine vielversprechende Lösung, da es die zyklische Erzeugung von Wasserstoff, Wärme und Strom durch Oxidations- und Reduktionsreaktionen von Metallen ermöglicht.
Am Ort des Verbrauchs werden die Metalle mit Dampf oxidiert, um Wasserstoff zu erzeugen, während das entstehende Oxid zur Reduktion in Regionen mit reichlich erneuerbarer Energie zurückgeführt werden kann. Wissenschaftliches und technisches Ziel dieses Verbundprojektes ist die Weiterentwicklung der Eisen-Dampf-Technologie für großtechnische Anwendungen, wobei die Entwicklung einer geeigneten Prozesstechnologie als Kernaufgabe gesehen wird. Um dem Problem der abnehmenden Reaktivität des Eisenträgers im klassischen Eisen-Dampf-Verfahren zu begegnen, wurden Eisenlegierungen mit unterschiedlichen Mn-Gehalten (3, 5, 10 und 20 Gew.-%) getestet, wobei sich die Legierung mit 10 Gew.-% Mn als optimales Materialsystem unter den derzeitigen Versuchsbedingungen mit Temperaturen von 800 °C, 700 °C und 600 °C herausstellte.
Kooperation: Universität Duisburg-Essen, Institut für Technologien der Metalle (ITM), Lehrstuhl für Metallurgie der Eisen- und Stahlerzeugung, Technische Universität Clausthal, Institut für Metallurgie (IMET), Metallurgische Prozesstechnik, thyssenkrupp Steel Europe AG, SMS group GmbH
Förderung: BMBF 03SF0658C (Me2H2)
Kontakt:
Dr.-Ing. Andree Irretier
Tel.: +49 421 218 51419
E-Mail: irretier@mpa-bremen.de
M.Sc. Carolina Souza Santiago
Tel.:+49 421 218 64511
E-Mail: c.santiago@iwt.uni-bremen.de
Engineered Artificial Minerals (EnAM) – Untersuchung des Phasenraums metallurgischer Schlacken für eine rationelle Gestaltung von Verfahren zur Rückgewinnung von Refraktärmetallen durch Schmelzen und Rekristallisieren
Seltene Elemente wie Kobalt und Tantal können aufgrund ihrer geringen Anteile in metallurgischen Schlacken nicht effizient zurückgewonnen werden. Ziel des Projekts ist die Identifikation kristalliner Phasen, in denen ausgewählte Elemente unter gezielter Zugabe von Additiven und thermischer Prozessierung angereichert werden können.
Wegen der Komplexität der Materialsysteme und der Vielzahl an potenziell kristallisierenden Phasen wurde in einem ersten Schritt ein Datenbank-Screening mit DFT-Berechnungen der kristallinen Bildungsenthalpien durchgeführt. Mittels Flammsprühpyrolyse wurden Modellschlacken in Form von Metalloxidnanopartikeln unter systematischer Anpassung der chemischen Zusammensetzung hergestellt. Während Kobalt eine Spinellphase im Fe-Co-O-System innerhalb der komplexen Schlackenkomposition bildet, tendiert Tantal zur Bildung kristalliner Phasen im Ca-Ta-O- bzw. Y-Ta-O-System.
Kooperation: Hybrid Materials Interfaces Group, Universität Bremen
Förderung: DFG (SPP 2315)
Kontakt:
M.Sc. Manuel Vollbrecht
Tel.: +49 421 218 51210
E-Mail: m.vollbrecht@iwt.uni-bremen.de
1D-Modellierung der Einzeltropfenverbrennung in der Flammensprühpyrolyse
Diese Studie stellt ein eindimensionales Einzeltröpfchenmodell vor, das die Verbrennung von Mehrkomponententröpfchen simuliert, mit Schwerpunkt auf Vorläuferreaktionen und der Bildung von Feststoffpartikeln. Das Modell untersucht die Zersetzung von Vorläufern und die Bildung fester Phasen in Tröpfchen aus Zinn-2-ethylhexanoat und m-Xylol.
Ein bemerkenswertes Merkmal ist die Bildung einer viskosen Hülle aus weniger flüchtigen Vorläufern und Reaktionsprodukten, die flüchtige Spezies einschließt und häufig Mikroexplosionen oder Puffen verursacht. Diese Phänomene werden durch die Berechnung des Dampfdrucks unter spezifischen Damköhler-, Arrhenius- und Flüssig-Lewis-Zahlen vorhergesagt. Das Modell bietet ein robustes Framework zur Optimierung von Vorläufer- und Prozessdesigns und kann in Simulationen turbulenter Mehrphasenflammen integriert werden, um die Modellierung der Flammensprühpyrolyse zu verbessern.
Kooperation: Universität Bremen (FB04)
Förderung: ERC (ReSuNiCo 786487)
Kontakt:
M.Tech. Arvind Chouhan
Tel.:+49 421 218 64507
E-Mail: a.chouhan@iwt.uni-bremen.de
Einzeltropfenverbrennung in einem begrenzten Mikroreaktor
Mithilfe von Einzeltropfenexperimenten lassen sich physikalisch-chemische Mechanismen bei der Synthese von Nanopartikeln aus Sprühflammen ableiten. Dabei können die brennenden Einzeltropfen selbst als räumlich begrenzte Mikroreaktoren betrachtet werden, in denen zahlreiche Mechanismen zur Erreichung der Partikelgröße, -zusammensetzung und -morphologie ablaufen.
Die Untersuchung der brennenden Tropfen in einem Mikroreaktor ermöglicht die präzise Kontrolle und grundlegende Untersuchung der Verbrennungsdynamik einzelner Tropfen. Die Flammen- und Tropfenhistorien wurden für unterschiedliche Verhältnisse von Plattenabstand (H) zu Tropfengröße (D) mit Highspeed-Messungen analysiert.
Kooperation: Rutgers University, USA
Förderung: DFG-NSF
Kontakt:
M.Sc. Arne Witte
Tel.:+49 421 218 51216
E-Mail: a.witte@iwt.uni-bremen.de
Untersuchung der Metallsulfidnanopartikelsynthese
Eine neue Methode, die auf der Flammenemissionsspektroskopie in Kombination mit Hochgeschwindigkeitsimaging basiert, wurde entwickelt, um die Bildung von Nanopartikeln während der Verbrennung von einzelnem Tropfen zu analysieren, um so Einblicke in die kleinste Einheit der Flammensprühpyrolyse (FSP) zu erhalten: den Tropfen.
Die Methode ermöglicht die direkte Analyse der Metallfreisetzung und der Verbrennungsdynamik und zeigt, dass Mikroexplosionen der zentrale Schritt für die Metallfreisetzung und die Synthese von Nanopartikeln in der Einzeltropfenverbrennung darstellen. Diese Erkenntnisse erweitern das Verständnis der Flammensprühpyrolyse und ermöglichen so die maßgeschneiderte Produktion von Nanopartikeln.
Kooperation: Universität Bremen (FB04)
Förderung: ERC (ReSuNiCo 786487)
Kontakt:
M.Sc. Jan Derk Groeneveld
Tel.:+49 421 218 51217
E-Mail:j.groeneveld@iwt.uni-bremen.de
Optimierung der Prozessparameter zur Herstellung von Metallsulfiden mittels Flammensprühpyrolyse (FSP)
Das Projekt untersucht, wie verschiedene Prozessparameter – darunter die Wechselwirkung zwischen Vorläufer und Lösungsmittel, das Verhältnis von Brennstoff zu Sauerstoff, die Vorläuferflussrate, die Co-Flow-Rate und das Verhältnis von Metall zu Schwefel – die Eigenschaften von Metallsulfiden beeinflussen, die mittels Flammensprühpyrolyse (FSP) synthetisiert werden.
Die Parameter können optimiert werden, um maßgeschneiderte Metallsulfid-Nanopartikel mit spezifischer Phasenzusammensetzung, Kristallinität und Partikeldurchmesser herzustellen und Metallsulfide für neue Anwendungsfelder nutzbar zu machen. Diese Studie wird dazu beitragen, Metallsulfid-Nanopartikel in einem reduzierenden Umfeld in situ zu beschichten, zu dotieren, zu mischen und zu funktionalisieren.
Förderung: ERC (ReSuNiCo 786487)
Kontakt:
M.Sc. Muhammad Ali Martuza
Tel.: +49 421 218 64508
E-Mail: m.martuza@iwt-bremen.de
Zinndotierte Indiumsulfid-Mischkristalle als potenzielle Photokatalysatoren für die Wasserspaltung
Ein neuartiges reaktives Sprühsystem zur Synthese von Metallsulfiden in reduzierenden Flammen ermöglicht die Herstellung von Materialien für Photokatalyse, Solarenergie und Wasserspaltung. Durch Gasphasenreaktionen wurden Sn-dotierte In2S3-Mischkristalle mit erhöhter photokatalytischer Aktivität und struktureller Stabilität synthetisiert.
Charakterisierungstechniken, einschließlich XRD und TEM, bestätigten eine hohe Kristallinität, während die Sn-Dotierung die Photoanregung und das Redoxpotential verbesserte. Diese Materialien wiesen geeignete Bandlücken (1,9-1,1 eV) und flache Bandpotenziale für die Wasseroxidation auf. Dieser innovative Ansatz befasst sich mit Fragen der Materialdegradation und unterstützt künftige industrielle und wissenschaftliche Anwendungen in der Katalyse mit sichtbarem Licht.
Förderung: ERC (ReSuNiCo 786487)
Kontakt:
Prof. Dr. habil. Suman Pokhrel
Tel.: +49 421 218 51218
E-Mail: spokhrel@iwt.uni-bremen.de