Duisburg. . UDE-Forscher arbeiten am Durchbruch zur großtechnischen Herstellung der begehrten Partikel. Prof. Dr. Christof Schulz koordiniert 30 Arbeitsgruppen.

Man findet sie etwa in Batterien von Smartphones und in Katalysatoren: Nanomaterialien mit definierten Eigenschaften sind in der Industrie gefragt. Doch bisher ist ihre großtechnische Herstellung schwierig. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat daher ein neues Schwerpunktprogramm zum Thema „Nanopartikelsynthese in Sprayflammen“ eingerichtet. Koordiniert wird die Arbeit von rund 30 Forschergruppen verschiedener deutscher Hochschulen von Prof. Dr. Christof Schulz von der Universität Duisburg-Essen (UDE).

Dem Direktor des Nanoenergie-Technikzentrums (NETZ) stehen rund neun Millionen Euro für das zunächst dreijährige Projekt zur Verfügung. Das Ziel: in drei weiteren Jahren einen Durchbruch erzielen bei der Herstellung von Nanopartikeln im industriellen Maßstab.

Großtechnische Herstellung ist sehr teuer

Die Größe eines Nanopartikels verhält sich zu einem Fußball so wie der Fußball zu unserer Erde. Materialien, die aus diesen winzigen Teilchen bestehen, haben besondere Eigenschaften, die man sich zum Beispiel in der Medizin und Industrie zunutze machen will. „Die großtechnische Herstellung ist aber noch sehr teuer“, erklärt Schulz. „Eine wasserbasierte, gezielte Synthese, das wäre gut.“ An der UDE arbeiten die Wissenschaftler daran mit zwei selbst konstruierten Reaktoren im NETZ-Gebäude an der Carl-Benz-Straße in Neudorf und im Institut für Umwelttechnik (IUTA) in Rheinhausen.

Es gibt verschiedene Methoden, mit denen sich Nanopartikel für den industriellen Einsatz herstellen lassen. Bei der so genannten Sprayflammensynthese wird eine Lösung, die alle nötigen Ausgangsstoffe enthält, zerstäubt und in eine Flamme geleitet. Auf diese Weise lassen sich sehr viele hochreine Nanomaterialien aus verschiedenen chemischen Elementen produzieren. Diese „Gasphasen-Synthese“ ist Schwerpunkt der Duisburger Forschung. „ Der ganze Prozess ist noch nicht ausreichend verstanden“, erklärt Christof Schulz. Daher ist das Verfahren bisher kaum im industriellen Maßstab umgesetzt, denn bisher sind dafür teure Spezialchemikalien und Lösungsmittel nötig.

Den Erzeugungsprozess Schritt für Schritt verstehen

„In den letzten Jahren hat sich sehr viel getan, was Analyse- und Messmethoden angeht – allerdings entweder in der Chemie, der Physik oder in den Ingenieurwissenschaften“, erklärt Prof. Dr. Christof Schulz. Er ist Direktor des NanoEnergieTechnikZentrums (NETZ) an der UDE und koordiniert das neue Schwerpunktprogramm. „Das wollen wir nun zusammenfassen und im Idealfall den ganzen Erzeugungsprozess Schritt für Schritt verstehen.“

Die Grundlage hierfür liefern Messungen direkt im Experiment sowie theoretische Simulationen. Dabei spielt im NETZ die Syntheseanlage zur Herstellung von Nanopartikeln eine entscheidende Rolle: Die drei Stockwerke hohe Apparatur kann Nanomaterialien in großen Mengen von bis zu einem Kilogramm pro Stunde herstellen und damit realistische Daten für die Entwicklung von Verfahren im industriellen Maßstab liefern – zum Beispiel auch im Hinblick auf günstigere Ausgangsstoffe.

Ab welcher Größenordnung wird’s interessant für die Industrie? „Kommt auf die Nanomaterialien an“, sagt Prof. Schulz. „Bei einigen, etwa für den medizinischen Einsatz, kann es schon ein Kilo sein, große Unternehmen wie Degussa rechnen bei anderen Materialien in Tonnen.“

Forschergruppen müssen sich nun bewerben

„Nanopartikelsynthese in Sprayflammen (SpraySyn): Messung, Simulation, Prozesse“ ist eines von 17 neuen Schwerpunktprogrammen der DFG, die 2017 ihre Arbeit aufnehmen. Sie wurden aus 76 eingereichten Initiativen ausgewählt.

Prof. Dr. Christof Schulz (48), seit fünf Jahren NETZ-Direktor, koordiniert das Programm mit drei Kollegen aus Duisburg, Stuttgart und Bremen. Welche Forschergruppen in den nächsten Jahren mit dabei sind, steht noch nicht fest. Sie müssen sich mit ihren Projekten nun in einem eigenen Verfahren bewerben.