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SADOA - Surface Area Determination by Ozone Adsorption

Applicant Friebel Franz
Number 195035
Funding scheme Bridge - Proof of Concept
Research institution Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.07.2020 - 30.06.2021
Approved amount 130'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Physical Chemistry

Keywords (9)

nanoparticle; surface area determination; aerosol particle; nanoparticle analytics; online measurements; process integration; black carbon; ozone; gas adsorption

Lay Summary (German)

Lead
Nanomaterialen besitzen besondere chemische Eigenschaften durch ihre grosse spezifische Oberfläche. Dies ist die Grundlage für z.B. die Wirksamkeit von Katalysatoren und die Filterkapazität von Aktivkohle. Neben diesen positiven Eigenschaften skaliert aber auch Toxizität von Feinstaub und Ultra-Feinstaub mit der Partikeloberfläche. Bestehende Oberflächenmessmethoden haben ihre individuellen Vor- und Nachteile. So gibt es bis dato keine Methode um die totale Oberfläche von Partikel direkt im aerosolierten Zustand binnen weniger Minuten zu messen.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
Das Ziel des Projektes ist es die Adsorption von Ozon zu verwenden um die Partikeloberfläche von Nanopartikel zu bestimmen. Der erste Schritt ist der Aufbau einer Datenbank die kartiert wie präzise verschiedene Materialen so vermessen werden können. Eine Validierung erfolgt mittels etablierter Oberflächenmessmethoden. Es wird bereits von Anfang an ein mobiler Messaufbau konstruiert, welcher ohne eine Labor-infrastruktur arbeiten kann. Dieser ermöglicht es vor Ort bei Produzenten von Nanomaterialien Testmessungen durchzuführen. Weiterhin ist die Konstruktion eines solchen Prototypen der erste Schritt zur kommerzielle Nutzung und Verbreitung der Messmethodik.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Dieses Projekt wird zur Entwicklung einer neuen und innovativen Oberflächenmessmethodik führen, welche das Potenzial hat (1) massen-basierte Feinstaubstandard zu ersetzen (z.B. PM2.5), (2) Partikelproduktionprozesse zu effektiveren (z.B. Flammensprühpyrolyse) und (3) um kleinste Probenmengen zu charakterisieren (z.B. Gold-Nanopartikel in kolloidaler Lösung)

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Direct link to Lay Summary Last update: 13.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Nanoparticles (NPs) play an important role in many areas such as health, climate, and industrial processing. Nanoparticles show significantly different properties than the bulk material. This is mainly due to the increased surface to volume ratio and, thus, the enhancement of all surface-related properties. The resulting properties can be exploited in some areas, e.g., drug delivery or microelectronics manufacturing, but can be disadvantageous in others, e.g., toxicity. Overall, NPs are useful in many industrial applications and products, ranging from sunscreen via solar cells to NPs for drug delivery. The market for customized NP is expected to reach 53.7bn CHF by 2022, which results in a market potential for SA determination of 53.7mio CHF.[3]NPs can be aerosolized and are then called aerosol particles (APs). Exposure to high concentrations of certain APs has been clearly associated with adverse health effects such as acute lower respiratory disease and causes 400.000 premature deaths with the EU.[1] Risk assessments of inhaled nanoparticles (NP) have revealed that the surface area (SA) is toxicologically a more meaningful dose metric than the particle mass or particle number concentration currently used.[2] In many of these applications, surface properties of the NPs are of interest. Nevertheless, an easy and fast determination of the geometric SA of particles in aerosolized state is not available. The most common method to measure the SA of powders is the Brunauer, Emmet and Teller (BET) method (ISO 9277). However, this method cannot measure particles directly in aerosolized state. Other methods that can characterize the SA of APs do not measure the geometric SA, but SA surrogates, e.g., the lung-deposited SA. Here, I propose an alternative method for determination of the geometric SA of nanoparticles that is capable of: (1) Measuring small quantities of particles (ng-µg), (2) measuring particles in aerosolized state without preconditioning, (3) that is significantly faster than the standard BET method and (4) generates data at a fraction of the cost. This novel method makes use of the quantitative adsorption of ozone on the surface of nanoparticles, which can be detected by an increase in the single-particle mass. The aim of this project is (i) to construct a standalone mobile prototype that is (ii) capable of determining the SA of nanoparticles in a laboratory environment to create a particle database, (iii) can be integrated in a particle production process and (vi) will tremendously accelerate the particle characterization procedure of an industrial partner.
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