A comparison of synthetic strategies for the synthesis of metal oxide nanoparticles : reactive milling and microjet reactor process

Abstract

This work investigates systematically synthetic strategies for inorganic nanoparticles. The main focus is the investigation of different process parameters (milling time/-speed or pressure/temperature) on the resulting particles. A top-down approach for the synthesis of inorganic metal oxide particles with in situ surface-modification is described, which is an application of reactive milling and can be performed in a high-energy planetary ball mill. Surface functionalized titania particles are obtained using various organophosphonic acids as surface-modifying agents. The process of particle size reduction and surface functionalization was accompanied by a tribochemical phase transformation from the starting material anatase to rutile and a high-pressure modification of titania. The obtained particles show sizes between 100 nm and 300 nm. A degree of surface coverage of up to 1.4 mmol/g particle could be reached. Furthermore, a wet chemical, bottom-up approach for the continuous production of inorganic nanoparticles was investigated for its suitability for the preparation of oxide nanoparticles. By means of a microjet reactor very short mixing times and the instant separation of already formed particles from the reaction zone can be achieved. As a result, uniform particles with a small size distribution can be obtained. Applying this method, zinc oxide and magnetite with particle sizes between 44 nm and 132 nm as well as flaky brushite were produced.

Die vorliegende Arbeit untersucht systematisch Synthesemethoden für anorganische Nanopartikel. Im Mittelpunkt steht der Einfluss von Prozessparametern (Mahldauer/-geschwindigkeit bzw. Druck/Temperatur) auf die resultierenden Partikel. Es wird ein top-down Verfahren zur Synthese von Metalloxid-Partikeln mit in situ Oberflächenfunktionalisierung beschrieben. Es handelt sich um die Methode der Reaktivvermahlung, durchgeführt in einer Hochenergie-Planetenkugelmühle. Es konnte oberflächenmodifiziertes TiO2 erhalten werden. Als Funktionalisierungsreagenz wurden verschiedene Organophosphonsäuren eingesetzt. Neben der Partikelzerkleinerung und Funktionalisierung konnte eine tribochemische Phasenumwandlung des eingesetzten Anatas zu Rutil und hochdruck-TiO2 beobachtet werden. Die resultierenden Partikel zeigen Größen von 100 - 300 nm. Es konnte ein Funktionalisierungsgrad von bis zu 1,4 mmol/g Partikel erreicht werden. Des Weiteren wurde ein kontinuierliches, nasschemisches bottom-up Verfahren zur Synthese von anorganischen Nanopartikeln auf seine Eignung zur Herstellung oxidischer Nanopartikel systematisch untersucht. Mit Hilfe eines Microjet Reaktors ist es möglich, sehr kurze Mischzeiten und ein sofortiges Entfernen der bereits entstandenen Partikel aus der Reaktionszone zu erzielen, sodass gleichmäßig geformte Partikel mit einer schmalen Größenverteilung erhalten werden. Es wurden Zinkoxid und Magnetit mit Größen von 44 - 132 nm und plättchenförmiger Brushit hergestellt.