Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT)

Functionality by Design

Photochemische Reaktionen lassen sich mit dem Einsatz mikrostrukturierter Durchflussreaktoren stark beschleunigen. Die Reaktionslösung lässt sich, bedingt durch die kleinen charakteristischen Dimensionen in Fallfilmen oder durchströmten Kanälen intensiv und gleichmäßig beleuchten. Gleichzeitig wird durch diese kleinen charakteristischen Dimensionen der Stofftransport durch Diffusion stark beschleunigt. Durch gezielte Mikrostrukturierung lassen sich zusätzlich Sekundarströmungen induzieren. Die bessere Durchleuchtung des Reaktionsraums im Vergleich zu klassischen Apparaturen erlaubt das Arbeiten bei hohen Substratkonzentrationen. Hiervon profitieren bimolekulare, sowie heterogen katalysierte Reaktionen in einem besonderen Maß.

Im Rahmen des Helmholtz-Programms „Science and Technology of Nanosystems“ beteiligt sich das Institut für Mikroverfahrenstechnik im Bereich „Functionality by Design“ mit Untersuchungen zur Immobilisierung von Photokatalysatoren auf Membranen und deren gewinnbringende Anwendung für die organische Synthesechemie sowie den Abbau von Mikroschadstoffen aus wässrigen Medien.

In der organischen Synthesechemie eröffnet die Verwendung einer Membran als Katalysatorträger die Möglichkeit, Gase wie Sauerstoff für Partialoxidationen fein verteilt in den Reaktionsraum zu dosieren. Die Gaskonzentration ist dann in der Umgebung des geträgerten Katalysators am höchsten und bewirkt somit eine zusätzliche Beschleunigung der Reaktion.

Beim photokatalytischen Abbau von Mikroschadstoffen wie Pharmazeutika, z.B. durch Sauerstoff und Licht bieten die Membranen die Möglichkeit, die Abbauprodukte kontinuierlich abzutrennen. Mit geeigneten Membranen verbleiben die nicht abgebaute Schadstoffmoleküle dann im Retentat.

Zur Immobilisierung geeigneter Katalysatoren auf anorganischen Membranoberflächen beschäftigt sich das IMVT intensiv mit innovativen, reproduzierbaren Beschichtungstechnologien wie chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtering und Tintenstrahldrucken. Das Hauptziel ist dabei, geeignete Katalysatoren über Screening-Experimente zu identifizieren und diese als dünne und homogene, stabile Schicht abzuscheiden. Die Schichtparamter wie beispielsweise Dicke, Größe der Primärpartikel und Porosität werden dabei im Besonderen betrachtet und hinsichtlich der gewünschten Anwendung optimiert.

Zur Untersuchung grundlegender Phänomene in Photo-Membranreaktoren wird in enger Kooperation mit dem Institut für Funktionelle Grenzflächen eine Versuchsapparatur entwickelt. Diese Apparatur ermöglicht das gezielte Einkoppeln von Licht, welches entlang eines Reaktionskanals bezüglich Intensität und Wellenlänge moduliert werden kann (siehe Abbildung). Dadurch lassen sich wichtige Rückschlüsse auf Aktivität des Photokatalysators und dessen Interaktion mit der Membran gewinnen, welche wiederum in die Präparationsstrategie der dünnen Katalysatorschichten einfließt.