Formulierung von Hetero-Aggregaten in kontinuierlich betriebenen Gegenstrahl-Wirbelschichten (SPP 2289 "Hetero-Aggregate")

Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Formulierung ternärer Heteroaggregate aus trockenen Primärpartikeln. Die Funktionalität der Heteroaggregate beruht auf der Zusammensetzung und der Verteilung der Heterokontakte zwischen den Bestandteilen, die durch Mischen auf der Skala der Primärpartikel (~ 25 nm) erreicht werden. Die Prozessmodellierung ist ein integraler Bestandteil des Projekts: Erstens, um die Prozessfunktion des Formulierungsprozesses (im Rumpfschen Sinne) zu ermitteln. Zweitens, um Werkzeuge für die modellbasierte Sensorfusion, Prozessoptimierung und -steuerung zu entwickeln. Eine umfassende Charakterisierung der Eigenschaften von Heteroaggregaten verknüpft Experimente und Simulationsstudien und ermöglicht eine iterative Validierung und Verbesserung von Prozessmodellen und Versuchsplanung sowie die Aufdeckung der Materialfunktionen der Heteroaggregatformulierung in Gegenstrahl-Wirbelschichten. Nach der Etablierung der Prozessstrategie, der Charakterisierungsmethoden, der grundlegenden Modelle für die Vermischung von binären nanoskaligen Primärpartikeln zu Aggregaten und der Verbindung zwischen Prozessparametern und Strukturparametern der Aggregate wird in der zweiten Förderperiode der Fokus auf die Funktionalität der Heteroaggregate fortgesetzt und erweitert. Die geplante Hauptfunktionalität der Heteroaggregate ist die photokatalytische Aktivität durch die Gestaltung von Heteroaggregatstrukturen aus TiO2- und ZrO2-Primärpartikeln über die Zusammensetzung und Bildung von Heteroübergängen. Darüber hinaus wird eine dritte Komponente, Bismutvanadat (BiVO4), hinzugefügt, um ternäre Heteroaggregate zu bilden, die den zugänglichen Bereich des elektromagnetischen Spektrums für das "Ernten" von Elektronen, die in der Photokatalyse benötigt werden, erweitern und die Effizienz der Trennung der erzeugten Elektronen-Loch-Paare erhöhen, was die Entwicklung eines verbesserten Photokatalysators ermöglicht. Die Ziele des Projekts sind: i) Etablierung eines kontinuierlichen Prozesses zur Formulierung ternärer Heteroaggregate in Gegenstrahl-Wirbelschichten; Aufklärung der Strukturbildung im Hinblick auf die Designfunktionalität; ii) Entwicklung eines CFD-informierten multivariaten Populationsgleichgewichtsmodells für die Formulierung ternärer Heteroaggregate; iii) Entwicklung eines modellbasierten Soft-Sensors für die photokatalytische Aktivität der Heteroaggregate unter Berücksichtigung von Eigenschafts- und Strukturverteilungen (z. B., iv) Modellgestützte Analyse, Optimierung und Kontrolle der Bildungsdynamik, der strukturellen Eigenschaften und der Funktionalität durch Populationsgleichgewichtsmodelle und Soft-Sensor; v) Erweiterung des SEM-EDX- und des Raman-Mapping-Ansatzes zur Charakterisierung der Zusammensetzung innerhalb und zwischen den Aggregaten und der Vermischung ternärer Heteroaggregate; vi) Aufklärung der optischen, elektronischen und photochemischen Eigenschaften ternärer Heteroaggregate, die aus Halbleitern gebildet werden, und Charakterisierung des Heteroübergangs (Bulk-Verhalten); vii) Verknüpfung von Heteroaggregaten mit Halbleitern) Verknüpfung der Eigenschaften von Heteroaggregaten auf der Ebene der einzelnen Aggregate mit dem Volumenverhalten und der photokatalytischen Leistung.

Formulation of hetero-aggregates in continuously-operated opposed jet fluidized beds (SPP 2289 "Hetero-Aggregates")

The vision of the project is the establishment of a continuous process for formulation of ternary hetero-aggregates from dry primary particles. The functionality of the hetero-aggregates is grounded in the designed composition and distribution of hetero-contacts between constituents achieved by mixing at the primary particle scale (~ 25 nm). Process modelling is an integral part of the project: Firstly, to establish the process function of the formulation process (in the Rumpfian sense). Secondly, to generate tools for model-based sensor fusion, process optimization and control. Comprehensive characterization of hetero-aggregate properties links experiments and the simulation studies, iteratively providing validation and improvement of process models and experimental design as well as revealing the material functions of hetero-aggregate formulation in opposed jet fluidized beds. Having established the processing strategy, characterization methods, fundamental models of mixing of binary nanoscale primary particles into aggregates, and the connection between process parameters and structural parameters of the aggregates, the second funding period will see a continuation and extension of the focus towards functionality of the hetero-aggregates. The main designed functionality of the hetero-aggregates is photocatalytic activity by designing hetero-aggregate structures consisting of TiO2 and ZrO2 primary particles via composition and formation of hetero-junctions. Furthermore, a third component, bismuth vanadate, BiVO4, will be added to form ternary hetero-aggregates, extending the accessible range of the electromagnetic spectrum for “harvesting” electrons required in photocatalysis and to increase the efficiency of the separation of the generated electron-hole pairs, thus allowing design of an improved photocatalyst. The objectives of the project are: i) Establishment of a continuous ternary hetero-aggregate formulation process in opposed jet fluidized beds; elucidation of structure formation towards design functionality; ii) Development of a CFD-informed multivariate population balance model for formulation ternary hetero-aggregates; iii) Development of a model-based soft-sensor for photocatalytic activity of the hetero-aggregates, taking into account property and structure distributions (e.g., size, composition); iv) Model-based analysis, optimization and control of formation dynamics, structural properties and functionality by population balance models and soft-sensor; v) Extension of the SEM-EDX and the Raman mapping approach to characterize the intra- and inter-aggregate composition and mixing of ternary hetero-aggregates; vi) Elucidation of the optical, electronic and photochemical properties of ternary hetero-aggregates formed from semiconductors and characterization of the heterojunction (bulk behavior); vii) Linking of hetero-aggregates properties on the single aggregate level with bulk behavior and photocatalytic performance.