Großtechnische Synthese von Nanopartikeln
Hochreine Nanopartikel stehen aufgrund ihrer antibakteriellen Aktivität in Textilien, ihrer katalytische Aktivität in Membranreaktoren, ihrer flammhemmenden Eigenschaften in Verbundpolymeren oder auch zur Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellen hoch im Kurs. Nanopartikel können entweder aus Materialien in Reinform abgeleitet oder durch Bottom-up-Ansätze synthetisiert werden, und zwar aus atomaren oder molekularen Spezies mittels chemischer Reaktionen, die den Partikeln ein Größenwachstum erlauben. Bislang gehörte zur Herstellung von vorproduktfreien Nanopartikeln typischerweise der Einsatz konventioneller Plasmareaktoren. Jedoch stellten Größe und Komplexität der Versuchsanordnung bislang ein Hindernis gegenüber ihrem umfassenden Einsatz in der Industrie dar. Darüber hinaus sind andere Herstellungsverfahren für Nanopartikel wie die Anwendung von Bogenentladungssystemen instabil und können nicht für längere Zeiträume laufen, was in ähnlicher Weise auch für Funkenentladungssysteme gilt, die eine geringe Produktionsrate haben. Das EU-finanzierte Projekt BUONAPART-E (Better upscaling and optimization of nanoparticle and nanostructure production by means of electrical discharges) verbesserte nun die Bogen- und Funkenentladungsverfahren zur Synthese hochreiner metallischer Nanopartikeln zu stabilen und kostengünstigen Prozessen, die hohe Produktionsraten und eine hohe Energieeffizienz aufweisen. Die zukunftsweisenden Verfahren gestatten die Synthese verschiedener Materialien unter Nutzung derselben Plattform, deren Verdampfungsbasiseinheit ein Elektrodensatz ist. Mit der Vermeidung des Einsatzes von gefährlichen chemischen Ausgangsstoffen und Lösungsmitteln, während inerte Gase recycelt werden, wird eine minimale Einflussnahme auf die Umwelt gewährleistet. Von großem Vorteil ist die Möglichkeit der Herstellung maßgeschneiderter Nanopartikel in speziellen Größen und mit spezifischen Eigenschaften. Durch Anwendung kostengünstiger Stromversorgungen und eines Elektrodensatzes erhöhten die Wissenschaftler die Gasverdampfungsraten um das Zehnfache. Man erreichte zum Beispiel 36 g/h (Zn), 4,4 g/h (Cu) und 1 g/h (Ag). Das Team steigerte im Folgenden den Prozessdurchsatz durch parallele Inbetriebnahme von 16 Elektrodensätzen, wobei man die gleiche Produktqualität, Produktionsrate und den gleichen Energieverbrauch erzielte. Es wurden drei Patentanmeldungen für das Lichtbogenentladungsverfahren eingereicht. Der Funkenentladungsprozess wurde weiter verbessert, indem man eine Hochfrequenz-Energieversorgung entwickelte, die Frequenzen bis zu 9 kHz anstelle von einigen hundert erlaubt. Zudem wurden die Partikelgrößen klein gehalten. Unter Einsatz dieser einfachen und kostengünstigen Nanopartikelherstellungsverfahren demonstrierte das Projektkonsortium mehrere Anwendungen der Nanopartikeleinbindung in Zwischen- oder Endprodukte. BUONAPART-E stellte realisierbare und äußerst nachhaltige Wege zur Verbesserung der Nanopartikelherstellung in industriellen Größenordnungen unter Beweis. Die neu entwickelte flexible Plattform gestattet die Synthese von hochwertigen Nanopartikeln gemäß den Anforderungen der Kunden und das zu wettbewerbsfähigen Kosten.
Schlüsselbegriffe
Nanopartikel, BUONAPART-E, elektrische Entladungen, Textilien, Membranreaktoren, Solarzellen, fotovoltaische Zelle
