Kontaminationsfreie Herstellung und Aufbereitung lasergenerierter Nanopartikel in einer kontinuierlichen Prozesskette für die heterogene Katalyse (KontiKat)

Problemstellung
Der Bedarf an reinsten Nanomaterialien für verschiedene Anwendungsbereiche, wie in der Medizin oder Katalyse, nimmt stetig zu. Besonders in der Katalyse sind Reinheit und Größenverteilung der Nanopartikel ausschlaggebend für die Qualität des Katalysators. Die Laserablation (Laserverdampfen) in Flüssigkeiten ist eine gängige Methode zur Herstellung von Nanopartikeln. Dabei wird die Materialoberfläche mit einem Laser bestrahlt und die Nanopartikel von der Oberfläche abgetragen. Diese weisen jedoch unerwünscht große Größenvariationen auf und daher muss die Größenselektion in einer nachfolgenden Zentrifuge erfolgen. Die Herausforderung liegt darin, dass die Stähle, aus denen die produktberührenden Teile der Zentrifuge bestehen, durch die enormen Fliehkräfte unerwünschte Ionen freisetzen. Dies führt zu einer Verunreinigung der Nanopartikel.

Projektziele
Ziel des KMU-innovativ-Projekts KontiKat war die Entwicklung einer neuen kontinuierlichen Prozesskette zur Herstellung von nanopartikelbasierten Katalysatoren. Hochreine Nanopartikel vorgegebener Größe sollten dabei durch gepulsten Laserabtrag in reinem Wasser mit anschließender Zentrifugation gewonnen werden.

Vorgehensweise
Zunächst wurde ein austauschbarer Kunststoffmantel für die Wandungen einer Röhren-zentrifuge entwickelt, welcher eine Kontamination verhindert und den hohen Fliehkräften standhält. Parallel dazu wurde die Laserablation in Flüssigkeiten im Hinblick auf die Partikelgrößenverteilung für ein reales Produktionsumfeld optimiert. Durch die Kopplung der beiden Prozessschritte wurde eine kontinuierliche Prozesskette zur Herstellung kolloidaler Nanopartikel aufgebaut. Zur Entwicklung eines Katalysators wurden Partikel unmittelbar nach ihrer Herstellung auf einem Trägermaterial abgeschieden und anschließend die Katalysatoreigenschaften untersucht.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die Herstellung von Nanopartikeln mit Lasern in umweltfreundlichen Lösungsmitteln wie Wasser ermöglicht eine nachhaltige Produktion von hochreinen Katalysatormaterialien. Die hochreinen Nanopartikel eignen sich für den Einsatz in weiteren Bereichen, wie z. B. der Medizintechnik. Interessierte Unternehmen werden in die Lage versetzt, zukünftig innovative nanopartikelbasierte Systeme am Markt anbieten zu können.

• Carl Padberg, Zentrifugenbau GmbH
• Universität Duisburg-Essen