Diffusionslimitiert

Diffusionslimitiert, oder diffusion-limited, bezeichnet einen Prozess, bei dem die Reaktions- oder Wachstumsrate durch die Diffusion der beteiligten Spezies zum Ort der Reaktion bestimmt wird. Nachdem die Spezies den Reaktionsort erreichen, verläuft die Reaktion in der Regel sehr schnell, sodass der Transportprozess die Grenze der Geschwindigkeit setzt.

Typisch ist dieses Verhalten, wenn ein schneller Reaktionsschritt die Verfügbarkeit der Reaktanten an der Reaktionsstelle begrenzt oder wenn Transportprozesse durch Diffusion in Poren, Grenzschichten oder stagnierende Strömungen dominiert werden. Die Diffusion fungiert als massentransportmechanismus, der die Rate festlegt, unabhängig von der Geschwindigkeit der chemischen Umwandlung.

Mathematisch wird in vielen Fällen das Reaktions-Diffusions-System modelliert. Im stationären, diffusionslimitierten Fall gilt oft die Laplace-Gleichung ∇^2 c = 0 für die Konzentrationen, mit Randbedingungen, die den Fluss der Reaktanten an der Reaktionsfläche festlegen. Der Reaktionsschritt wird dann häufig als sehr schnell angenommen, sodass der Fluss der Reaktanten durch Diffusion dominiert. In der Praxis bedeutet dies, dass erhöhte Durchmischung, größere Porosität oder veränderte Geometrien die Rate stärker beeinflussen als die kinetische Reaktion selbst.

Beispiele finden sich in der Elektrochemie, wo der Reaktionsschritt an der Elektrode schnell verläuft, der Durchtransport der Spezies jedoch den Grenzwert setzt. Ein weiteres bekanntes Beispiel ist die diffusionslimitiert gewachsene Aggregation (diffusion-limited aggregation, DLA), bei der Partikel durch Diffusion an ein wachsendes Zentrum gelangen. Diffusionslimitiert kann auch in catalytischen Porenstrukturen oder in biologischen Kontexten auftreten, wo Sauerstoff- oder Substratdiffusion das Wachstum oder die Reaktionsrate limitiert.

Die Diffusionslimitiertheit steht im Gegensatz zur reaktionslimitierten (kinetisch limitierten) Situation, bei der der chemische Schritt selbst der langsame Teil ist. Erkenntnisse über das Regime helfen bei der Optimierung von Reaktordesign, Massentransport und Geometrie.