UV/Vis-Spekroskopie zur In-situ-Teilchengrößenanalyse

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Am Beispiel gut erforschter QD-Materialien wie es bei PbS und PbSe der Fall ist, konnte die hervorragende Übereinstimmung zwischen den aus nur zwei Proben bestimmten Bandlückenverläufen und den experimentellen und theoretischen Literaturdaten unterschiedlichster Gruppen gezeigt werden [7]. Dementsprechend stellt die Auswertung von Absorptionsspektren nicht nur eine geeignete und billige Methode zur In-situ-Bestimmung der Dispersität von bekannten QD-Systemen dar, sondern kann nach geeigneter Kalibrierung auch für komplexe und weniger bekannte Multikomponentensysteme eingesetzt werden. Diese wiederum besitzen großes Potenzial wenn es um den Ersatz von toxischen, cadmiumbasierten Partikeln wie CdS oder CdSe durch unbedenklichere Materialien wie CuInS₂ oder CuInSe₂ geht.

Anwendung der Methode im Klassierprozess

Zuletzt soll anhand eines Beispiels zur Klassierung Mangan-dotierter ZnS (ZnS:Mn)-Nanopartikeln die Anwendung der Methodik erläutert werden. Eine für Quantenpunkte übliche Methode zur Klassierung, d.h. zur postsynthetischen Isolierung bevorzugter Teilchengrößen aus einer gegebenen Probe ist die größenselektive Ausfällung. Dabei werden die Teilchen in einem „guten“ (bei Teilchen mit polarer Oberflächenterminierung ein polares, bei Teilchen mit unpolarer Oberflächenterminierung ein unpolares) Lösemittel vorgelegt und anschließend ein „schlechtes“ Lösemittel zugegeben. Im Fall der polaren ZnS:Mn-Quantenpunkte mit Teilchengrößen zwischen 1,5 und 3 nm stellt Wasser ein gutes und 2-Propanol ein schlechtes Lösemittel dar. Zugabe von 2-Propanol führt zum sofortigen Ausflocken eines Teils der ehemals stabilisierten Teilchen.

Die entstehenden Flocken sind jedoch keine irreversibel aggregierten Verbände sondern lediglich lose Agglomerate, die sich sogar nach Trocknung im Vakuum vollständig redispergieren lassen. Darüber hinaus sind die Flocken im Mikrometer- bis Millimeter-Bereich gut zu handhaben und lassen sich durch bekannte Verfahren aus dem Bereich der Fest-flüssig-Trennung wie Zentrifugation oder Filtration abscheiden. Der Klassiereffekt kommt dadurch zustande, dass bei einem gegebenen Lösemittel/Antilösemittelverhältnis größere Partikeln aus einer Startverteilung bevorzugt flocken, während die kleineren Teilchen tendenziell in Form von Primärpartikeln stabil bleiben. Aufgrund ihrer geringen Masse bleiben die kleinen nicht geflockten Primärpartikeln auch bei Zentrifugal-beschleunigungen > 10 000 g im Überstand.

Obwohl die Anwendung der größenselektiven Ausfällung grundsätzlich bekannt ist, fehlen bisher Strategien zur quantitativen Bewertung des Klassierergebnisses. Dies gelingt nun erstmals durch die Anwendung klassischer Ansätze aus dem Bereich der mechanischen Verfahrenstechnik auf kleinste Teilchen. Durch Kenntnis der Partikelgrößenverteilung des Feeds, der Partikelgrößenverteilung und relativen Masse der abgetrennten Flocken – im Folgenden als Grobgut und Grobgutmengenanteil bezeichnet – sowie der Partikelgrößenverteilung und relativen Masse des Überstands – im Folgenden als Feingut und Feingutmengenanteil bezeichnet – lassen sich typische Kennwerte wie Ausbeuten oder die Trennschärfe κ ermitteln. Letztere ist vor allem interessant, da sie die Steilheit der Trennkurve um den Größenbereich des in Abbildung 4 dargestellten Trennkorns charakterisiert. Sie ist ein Maß, wie nah die real durchgeführte Trennung einer idealen Trennung (κ = 1) kommt. Bereits erste Untersuchungen ohne jegliche Optimierung der Prozessparameter zeigen mit Trennschärfen von bis zu κ = 0,75, sehr gute Resultate im Bereich der analytischen Trennung. Zudem ist der beschriebene analytische Ansatz auf beliebige QD-Systeme anwendbar und ermöglicht den Vergleich unterschiedlicher Materialien [8]. Bereits diese einfache Untersuchung zeigt das große Potenzial der Methode. Durch die Implementierung als In-situ-Messtechnik in kontinuierliche Prozesse eröffnet sich nicht nur ein weites Feld im Sinne der Prozessteuerung und Regelungstechnik. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass aufbauend auf dem mechanistischen Verständnis der Partikelbildung zunehmend auch eine Optimierung von Produkteigenschaften durch maßgeschneiderte Prozesse stattfinden wird. All dies ermöglicht die Herstellung größerer Produktmengen und stellt eine Grundvoraussetzung für die Nutzung des großen Potenzials solch relativ neuer Materialien im industriellen Maßstab dar.

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