Projekte

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.
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Ziel ist der Entwurf optimierter poröser stationärer Phasensäulen für die Nanopartikelchromatographie, wobei die einzelnen Bausteine kontrolliert durch Sprühdruck zusammengesetzt werden. Nachdem wir eine skalierbare Technik für die schichtweise Ablagerung einzelner Tröpfchen mit dem Material der stationären Phase entwickelt haben, streben wir den Übergang zu Packungen im Säulenmaßstab mit vorgegebener, komplexer Struktur an. Das Projekt wird die Strukturbildung über mehrere Schichten hinweg vorantreiben, wobei Defekte und Ungleichmäßigkeiten, die bei herkömmlichen Packungsmethoden vorherrschen, beseitigt und Oberflächenfunktionalitäten einbezogen werden. Auf der Grundlage experimentell ermittelter Diffusionskoeffizienten werden optimierte poröse Netzwerke durch Simulationen unter unsicheren Bedingungen vorhergesagt und experimentell realisiert.
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Dieses Verbundprojekt soll Modelle, Methoden und Implementierungen für die Realisierung von autonomen Strukturbildungsprozessen in Sprühwirbelschichten liefern. Dies wird durch eine Kombination neuartiger Multiraten-Soft-Sensoren zur Online-Beurteilung der Entwicklung der Agglomeratstruktur und fortschrittlicher Prozesssteuerungsschemata erreicht, die eine Anpassung der definierten Agglomeratstrukturen ermöglichen. Strukturelle und morphologische Modelle sind ein Schlüsselelement auf dem Weg zu diesem Ziel, da sie die erforderlichen Verbindungen zwischen Prozessinputs, messbaren Größen und Agglomeratstruktur herstellen. In der ersten Projektphase (drei Jahre) liegt der Schwerpunkt auf der Strukturbildung von Homo-Agglomeraten, d.h. Agglomeraten, die aus einstofflichen Primärpartikeln bestehen. Die Hauptziele in der ersten Projektphase sind: 1) Entwicklung neuartiger Modelle zur Beschreibung der zeitlichen Entwicklung von Struktur und Morphologie von Homo-Agglomeraten in der kontinuierlich betriebenen Wirbelschicht-Sprühagglomeration (mit und ohne Rückführung); 2) Untersuchung der Dynamik der Strukturbildung, experimentell und in Prozesssimulationen; 3) Aufklärung der Prozess-Struktur- und Material-Struktur-Beziehungen durch umfassende Charakterisierung der Agglomeratstruktur; 4) Entwicklung und Implementierung eines neuartigen modellbasierten Soft-Sensors zur Bewertung der Strukturentwicklung bei der EBS-Agglomeration; 5) Entwicklung echtzeitfähiger und regelungsorientierter Prozessmodelle unter Anwendung von Hybrid- und Surrogatmodellen; 6) Entwicklung, Implementierung und Evaluierung verschiedener Prozesssteuerungsschemata zur autonomen Strukturbildung von Homo-Agglomeraten in EBS-Agglomerationsprozessen.Die Zusammenarbeit der Partner des Schwerpunktprogramms wird insbesondere in den Bereichen Prozessmodellierung, Online-Messmethoden, Modellordnungsreduktion, Optimierung und Prozesssteuerung angestrebt. In der zweiten Projektphase sollen Modelle, Methoden und Implementierung auf Hetero-Aggregate erweitert werden, d.h. zusätzliche Komplexität und Gestaltungsmöglichkeiten durch die Möglichkeit, dass Primärpartikel aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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