Grundlagen & Prozesse der Verfahrenstechnik · 4.2 Thermodynamik der Bildung der Nanopartikel . 4.3 Stabilisierung der Nanopartikel . 4.4 Chemisch-physikalische Prozesse der Erzeugung

Folie 4.1 Dr. W. Hintz/Prof. Dr. J. Tomas, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik

Folien_GPVT_4 VO Grundlagen & Prozesse der Verfahrenstechnik Kap. 4 Nanopartikelsynthese Dr. W. Hintz 11.01.2012

4 Nanopartikelsynthese

4.1 Produkteigenschaften 4.2 Thermodynamik der Bildung der Nanopartikel 4.3 Stabilisierung der Nanopartikel 4.4 Chemisch-physikalische Prozesse der Erzeugung der Nanopartikel

4.4.1 Fällung 4.4.2 Sol-Gel-Synthese 4.4.3 Aerosolprozesse



Definitionen

Gegenstand der Nanotechnologie ist die Erforschung und Steue-

rung kleinster Strukturen im Bereich der Atome und Moleküle. Sie

berührt die Biologie, Medizin, Pharmazie, Ingenieurwissenschaften,

wie Werkstoff-, Verfahrens- und Fertigungstechnik, und nicht zu-

letzt die Grenzflächenchemie.

Nanopartikel (griech. nanos – der Zwerg) sind organische oder an-

organische Feststoffpartikel. Die Größendimensionen der Nanopar-

tikel sind in der Literatur nicht einheitlich definiert. Manchmal wird

der submikrone Bereich (d < 1 µm) darunter verstanden.

Übliche Definitionen in den Materialwissenschaften beziehen sich

auf die Größe nanoskaliger Partikel d < 100 nm. Bei pharmazeuti-

schen Anwendungen werden manchmal die Grenzen bei 500 nm,

manchmal bei 1000 nm = 1 µm gelegt. Nanopartikel liegen in der

Regel dispers verteilt in einer kontinuierlichen fluiden Phase (Sole,

Gele, Aerosole) vor.



2697 v. Ch. Tien-Lcheu: Lampenruß für Tinten in China eingesetzt

400 v. Ch. Lycurgus-Becher (mit Goldnanopartikeln beschichtetes Glasgefäß, British Museum

London)

1600 Herstellung von Kirchenfenstern, die im Licht durch kolloidales Gold rötlich leuchten

1857 Faraday Herstellung von kolloidalem Gold, Untersuchung der Farbeffekte

1915 Ostwald Kolloide - „Welt der vernachlässigten Dimension“

1942 Knöpfer Aerosil-Prozeß (Degussa) - pyrogene Kieselsäure, 1953 Aluminiumoxid, 1954 Titan(IV)-

oxid

1959 Feynman Rede über Aussichten der Miniaturisierung, „There’s plenty of room at the bottom“

1968 Stöber, Fink, Bohn Herstellung monodisperser Siliziumdioxid-Partikel, 1956 von Kolbe schon beschrieben

1974 Taniguchi Begriff “Nanotechnologie” für Herstellungsmethoden mit Strukturen kleiner als 1 μm

1985 Smalley, Curl, Kroto Buckminster-Fullerene, z.B.. C60 - Kohlenstoff

1991 Iijima Kohlenstoff-Nanoröhren

Historischer Überblick – Nanotechnologie und Nanopartikel

Nanotechnologie Der Gegenstand ist die Erforschung und Steuerung kleinster Strukturen im Bereich der Atome und

Moleküle.

Nanopartikel (aus dem Griechischen nanos - Zwerg) sind organische und anorganische Feststoffpartikel. Die

Größendimensionen sind in der Literatur nicht einheitlich definiert.



4.1 Produkteigenschaften und Größenbereiche der Nanopartikel

Bioverfügbarkeit

Quantengrößen-effekte

Polymere

stark ausgeprägte Oberflächeneffekte

Atmosphärische Aerosole

Keramikpulver

Viren, DNS

Metallpulver

Tabakrauch

Proteine

0.01 0.1 1µm 0.001 10-9 m 10-6 m

10 1 100 1000 nm

Nanopartikel für Life Sciences



Produkteigenschaften und Anwendungsbereiche

Die Anwendungsbereiche der Nanopartikel bzw. von nanostrukturierten Stoffsys-

temen sind auf folgende physikalische Effekte zurückzuführen:

1. Partikelgröße Bioverfügbarkeit: wasserunlösliche Stoffe können in Form von Nanopartikel von

Organismen aufgenommen werden → Anwendung in der Medizin (Life Science).

2. Sehr große spezifische Oberfläche Stark ausgeprägte Oberflächeneffekte (beispielsweise Reaktivität und besondere

Bindungsenergien der Oberfläche, verbesserte Adsorptionseigenschaften, Erhö-

hung der Löslichkeiten, Absenkung der Schmelzpunkte usw.)

3. Veränderung der elektronischen Eigenschaften Quanteneffekte bei Partikeln < 10 nm (stehende Wellen zwischen den Partikel-

grenzflächen), die insbesondere für elektronische und opto-elektronische Anwen-

dungen wichtig sind (Quantenelektronik).



4.2 Thermodynamik der Bildung der Nanopartikel

Keimbildung • homogene Keimbildung (durch lokale Fluktuationen verursacht) • heterogene Keimbildung (durch Fremdpartikel hervorgerufen) Klassische Theorie der homogenen Keimbildung

ΔG = (µS - µl) n + 4 π r2 σ Differenz der freien Enthalpie in der Volumenphase Oberfläche des Keims

ΔG = (µS - µl) 34

Mπρ

r3 + 4 π r2 σ

wobei (µS - µl) = - RT ln S (Übersättigung S = C0(r) / CS(r ∞ ) ist,

(µS - µl) < 0, wenn die übersättigt ist, (S > 1)

(µS - µl) > 0, wenn die Lösung nicht gesättigt ist.

Prozesse der Nanopartikelbildung

Edukte

Agglomerate

Primärpartikel

Keime

Nan

opar

tikel

Keimbildung

Wachstum

Agglomeration

Deagglomeration

kritische Übersättigung Vermischung, Temperatur u.a.

Transportmechanismen diffusions- oder strömungskontrolliert Partikelwechselwirkungen van-der-Waals-Anziehung elektrostatische / sterische Abstoßung Agglomeratstruktur euklidische Geometrie, Fraktale

einbau- und diffusionslimitiertes Partikelwachstum

Stabilisierung der Nanopartikel gegen Agglomeration !



Δg max = Δg oberfläche

freie Enthalpie Δg

Keimradius r kritischer Keimbildungsradius r*

Δg oberfläche = 4 π r2 σ

Δg = (µS - µl) r3

freie Keimbildungs-

enthalpie Δg

Konzentration der kritischen Keime:

−= 22

23*

)ln(316exp

SRTkTMNN O ρ

σπ

Kritischer Keimbildungsradius :

ρσ M

SlnRTr* 2=

1. r < r* Keime lösen sich wieder auf

2. r > r* Keime können durch Wachs-

tum ihre freie Enthalpie verringern

Thermodynamik der Nanopartikelbildung



Ostwald - Reifung

kleine Partikel lösen sich zu Gunsten größerer Partikel wieder auf

flüssige Phase feste Phase

gesättigte Lösung: µl

0 + RT ln CS(r ∞ ) = µS0

Nanopartikel: µl0 + RT ln C0(r) = µS

0 + rσ2

ViS

Übersättigung S = C0(r) / CS(r ∞ ) mit S > 1

Gibbs - Thomson - Gleichung Folgerungen :

1. Keime mit kleineren Radien haben eine höhere Löslichkeit

2. Konzentrationsgradient des gelösten Stoffes in Richtung

größerer Keime, Stofftransport und Auflösung der kleine-

ren Keime

SiV

rSlnTR σ2=



Nanopartikelbildung infolge kritischer Übersättigung, Keimbildung und Partikelwachstum*

*V.K. LaMer, R.H. Di-

negar, Theory, produc-

tion and mechanism of

formation of monodis-

persed hydrosols, J.

Amer. Chem.

Soc.72(1950) 4847-

4854

Sättigungskonzentration CS

CS

Modell von LaMer und Dinegar

Übersättigung

Wachstum

Keimbildung kritische Übersättigung C0

Konzentration der Komponenten einer schwerlöslichen Verbindung

Reaktionsfortschritt

C0

Keimbildung Wachstum

+

+

+

+

+ +

+



4.3 Stabilisierung der Nanopartikel

a) Sterische Stabilisierung auf der Partikeloberfläche sind

Tenside mit hydrophilen funktio-

nellen Gruppen adsorbiert → Tensidketten bilden kurze „Här-

chen“, die in das Suspensions-

medium hineinragen und als „Ab-

standshalter“ dienen

Stabilisierung durch : 1. entropische Effekte → Anzahl der möglichen Konfigurationen würde durch

Koagulation verringert

2. energetische Effekte → Tenside haben im Suspensionsmittel einen günstige-

ren Energiezustand als bei Kontakt der Ketten

b) Elektrochemische (-statische) Stabilisierung

Beschreibung mit der DLVO – Modell (Theorie):

Derjaguin, Landau und Overbeek, Verwey unabhängig voneinander entwickelt

Kombiniert → van – der – Waals – Anziehung und

→ elektrostatische Abstoßung (Poisson - Boltzmann)



DLVO-Modell der elektrochemischen Doppelschicht

Wechselwirkungspotential Ψ(a):

( )

−−⋅Ψ+

+⋅⋅

−=Ψ37

SS

0

2,1sls,H

aaaexp

aa6rC

)a( für 0 ≤ a ≤ ∞

mit 2372,1B

2kAS arTkcN128 ⋅⋅⋅⋅Γ⋅⋅⋅π⋅=Ψ ,

1

212,1 r

1r1r

−

+= ,

IeNTk1a 2

A

B0r37 ⋅⋅

⋅⋅ε⋅ε=

κ= , ∑ ⋅⋅=

kK

2k cz

21I ,

⋅⋅⋅⋅

=ΓTk4

ZeztanhB

Pk

Resultierende Potentialkraft F(a):

( )

−−⋅

Ψ+

+⋅⋅

−=Ψ

−=37

S

37

S2

0

2,1sls,H

aaaexp

aaa6rC

da)a(d)a(F

negativ geladenes

Partikel

Sternschicht

ΨS

Nernst - Potential

Stern - Potential

a37

Diffuse Schicht

Oberflächenabstand a

ZP Zeta - Potential

+

+

+ +

+

+

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

_ _

_

_ _

+ + +

+

+ +

+ + +

+ +

Gouy - Chapman - Schicht

+ + +

+

_ _ _

_

_

_ _

_

_ _

_

_

0

Ψ0

ΨS/e

aS

+

+ +

+

+

+

+

Scherebene



Schematische Energie - Abstands - Funktionen der

Wechselwirkungen gemäß DLVO-Modell (-Theorie)

a) Oberfläche stoßen sich stark ab, kleine Kolloidpartikel bleiben stabil

b) Oberflächen kommen in ein stabiles Gleichgewicht beim zweiten Minimum,

wenn es tief genug ist. Kolloide verbleiben kinetisch stabil

c) Oberflächen kommen in ein zweites Minimum, Kolloide koagulieren langsam

d) Zustand der kritischen Koagulationskonzentration, Oberflächen verbleiben

im zweiten Minimum und haften, schnelle Agglomeration/Koagulation der

Kolloide

e) Oberflächen agglomerieren und Kolloide koaleszieren schnell



Charakterisierung der Nanopartikel

Nanopartikel und Nanopulver sind gekennzeichnet durch:

Laserbeugung

Lichtstreuung

Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

Rasterelektronenmikroskopie (REM)

Gasadsorption (BET – Brunauer, Emmett, Teller)

(BJH – Barrett, Joyner, Halenda)

Zeta-Potential

Partikelgröße (1 nm – 100 nm)

große spezifische Oberfläche

Optische Spektroskopie

(elektrostatische) Stabilisierung



4.4 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung der Nanopartikel

Herstellungsprozesse

in flüssiger Phase in der Gas - Phase

(4.4.1) Fällungsprozesse

• in homogener Lösung

• in kompartimentierten Systemen

(4.4.2) Sol - Gel - Prozesse

Hydrothermal - Prozesse

(4.4.3) Aerosol - Prozesse

• Flammenhydrolyse

• Sprühpyrolyse



4.4.1 Herstellungsmöglichkeiten von Nanopartikel in der flüssigen Phase

Organische Monomere Anorganische Salze Anorganische Monomere Metallorganische Verbindungen Hydrolyse Oligomerisierung Hydrolyse Polymerisation in einer Emulsion Suspension Kondensation Keimbildung Kondensation Wachstum Wachstum Partikel als Suspension Partikel als Suspension Partikel als Suspension Partikel als Suspension Latex Sol Sol Sol PS 0,1 - 1000 µm Al2O3 SiO2 Al2O3 PMMA 0,3 - 1000 µm TiO2 TiO2 MF 1,0 - 1000 µm ZrO2 ZrO2 Fe2O3 microparticles GmbH



Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozess: Fällung – in homogener Lösung

Synthese von Silberbromid

chemische Reaktionen :

Wirkprinzip: Fällung mit der Controlled double jet precipitation CDJP - Technik

Fällung in homogener Lösung - Controlled double jet precipitation CDJP

Keimbildung mit nachfolgender Aufwachsreaktion und Ostwald - Reifung

Partikelgröße: AgBr: 7 nm bis 60 nm, in Abhängigkeit vom Partikelsystem

eine Vielzahl von Synthesen im Labormaßstab T. Sugimoto : J. Colloid Interface Sci. 150 (1992) 208 - 225

Cluster - Bildung

Ag+ + Br - AgBr

Silberbromid

(Gelatine)

KBr AgNO3

Wachstum, Koagulation, ...

Wachstum

Komplex - und Cluster - Bildung

Ionen

Embryos

Keime

Primärpartikel

Kolloide



Fällungsreaktion in homogener Lösung

AgBr – Nanopartikel, hergestellt mit der CDJ – Technik bei pBr 2,0 (a), 2,8(b), 4,0 (c)

Aufnahmen (Rasterelektronenmikroskopie) typischer monodisperser nanoskaliger Oxide durch

Umsetzung von Metallalkoxiden in alkoholischer Lösung



Fällungsreaktion in homogener Lösung

Aluminium (III) - oxid, 100°C (Rasterelektronenmikroskopie REM) (links) und Chrom (III) - oxid,

75°C, (Transmissionselektronenmikroskopie TEM) (rechts) nach Fällung in homogener Lösung

Zinkoxid (Rasterelektronenmikroskopie REM), 90°C, pH 8,8 (links) und 150°C, pH 13,3 (rechts)

nach Fällung in homogener Lösung



Tenside zur sterischen Stabilisierung der Nanopartikeldispersionen

Aerosol OT

Natrium(bis-2-thylhexyl)sulfosucci-

nat

(CMC = 2,5·10-3mol/l; 25°C, H2O)

SDS (Natrium-dodecyl-sulfat)

(CMC = 8,1·10-3mol/l; 25°C,H2O)

Dodecyl-trimethyl-ammonium-

chlorid

(CMC = 1,7·10-2mol/l; 25°C, H2O) Triton®X-100

tert.-Octylphenylpolyethylenglykol

(n= 9..10; CMC=3,16·10-4mol/l;

25°C,H2O)

Dodecylhexaethylenglykolether

(CMC = 8,7·10-5mol/l; 25°C, H2O)



Strukturen von Mikroemulsionen

Öl - in - Wasser - Mikroemulsion

Wasser - in - Öl - Mikroemulsion

bikontinuierliche Mikroemulsion

Wasser Öl

Öl

Öl

Öl

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser Öl

Öl

Öl Öl

Wasser

Wasser

Wasser

Wasser Öl

Öl

Öl Öl



4.4.2 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel

Prozeß: Sol - Gel - Prozeß / Fällung

Synthese von Siliziumdioxid nach Stöber, Fink und Bohn (1968)

chemische Reaktionen:

Wirkprinzip : Keimbildung mit nachfolgender Aufwachsreaktion und Ostwald –

Reifung

Controlled double jet precipitation CDJP

Produkte: Titan (IV) – oxid , Aluminiumoxid, Zirkon (IV) – oxid Kernbrennstoffe ThO2, UO2, PuO2 Vorteile: oft monodisperse, sphärische Partikel kontrollierter Größe Nachteil: Reaktionen müssen bei geringen Partikelkonzentrationen geführt wer-

den, nur geringe Mengen herstellbar

Hydrolyse:

Si(OC2H5)4 + 4 H2O Si(OH)4 + 4 C2H5OH

Tetraethylorthosilicat Siliziumtetrahydroxid Ethanol

ethanolische Suspension

Polykondensation:

Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O Siliziumtetrahydroxid Siliziumdioxid


0,2 M Tetraethylorthosilikat

Ethanol

Partikel 500 nm – 10 µm

Ammoniak / Wasser

Ethanol

Tetraethylorthosilicat / Ethanol

pH 11 – 12 (NH3)

pH 11 – 12 (NH3)



Sol - Gel - Prozess / Fällung Aufnahme (Transmissions-Elektronenmikroskop TEM) von Stöber –

Partikel aus Siliziumdioxid:



Kinetik der Polykondensationsreaktion zur Bildung von Siliziumdioxid

chemische Reaktionen:

- Reaction – limited cluster aggregation RLCA

Reaktionsgeschwindigkeit: Hydrolyse >> Polykondensation

pH – Bereich der Suspension: im sauren pH - Bereich

Bildung von Polymer – ähnlichen Netzwerken, poröse Partikel mit

kleinen Poren

- Reaction – limited monomer cluster growth RLMC (Eden –

Wachstum)

Reaktionsgeschwindigkeit: Hydrolyse << Polykondensation

pH – Bereich der Suspension: im basischen pH - Bereich

Bildung von großen, nicht porösen Partikeln, kolloidales Gel hat gro-ße Poren

Hydrolyse:

Si(OC2H5)4 + 4 H2O Si(OH)4 + 4 C2H5OH Tetraethylorthosilicat Siliziumtetrahydroxid Ethanol


Polykondensation:

Si(OH)4 SiO2 + 2 H2O Siliziumtetrahydroxid Siliziumdioxid




Einfluss des pH – Wertes auf die Morphologie der Siliziumdioxid - Partikel

1 nm

5 nm

10 nm

30 nm

100 nm

pH 7 – 10 bei Abwesenheit von Salzen

Sol (Stöber – Partikel)

pH < 7 oder

pH 7 - 10 bei Anwesenheit von Salzen

dreidimensionales Gel - Netzwerk

Si(OH)4

Dimere

Polymere, Cluster

Partikel



Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozeß: Sol - Gel - Prozeß – Redispergierung (Peptisation)

Synthese von Titan (IV) - oxid chemische Reaktionen:

Wirkprinzip: Redispergierung

(Peptisation) des Gels

Vorteile: monodisperse, poröse Partikel kontrollierter Größe Nachteil: Reaktionen müssen bei geringen Partikelkonzentrationen geführt werden, nur geringe Mengen herstellbar

Hydrolyse:

Ti(OC3H7)4 + 4 H2O Ti(OH)4 + 4 C3H7OH Tetraisopropylorthotitanat Titan (IV) - hydroxid Isopropanol

wässrige Suspension, 50 °C

Polykondensation:

Ti(OH)4 TiO2 + 2 H2O Titan (IV) – hydroxid Titan (IV) - oxid


0,23 M Tetraisopropylorthotitanat

0,1 M HNO3, 50 °C

Tetraisopropylorthotitanat

Redispergierung (Peptisation):

TiO2 (Gel) nano - TiO2 (Sol) Titan (IV) – oxid Titan (IV) - oxid

pH 1,3 (0,1 HNO3)

pH 1,3 (0,1 HNO3)


pH 1,3 (0,1 M HNO3)



Elektrostatische Stabilisierung oxidischer Nanopartikel in der Suspension Redispergierung (Peptisation) und Stabilisierung des Titan (IV) - oxides TiO2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Zeta - Potential in mV

Zeta

- Po

tent

ial in

mV

pH - Wert



Kinetik der Partikelagglomeration und – redispergierung

Ci, Cj, Ck Partikelkonzentration der i, j, k - mere kij Agglomerationskonstante der i - mere + j - mere bij Redispergierungskonstante k-mere zu i - mere + j - mere

Agglomeration

Redispergierun

Agglomerat

Kolloidpartikel

C4

C1

k14

k11

b13



Redispergierung :

∑∑=

+

−

=−− +++−=

max

ikiikik

k

iik,iik,ik

k Cb)(b)(Ctd

Cd1

1

111

21 δδ

Kinetik der Partikelagglomeration und – redispergierung

klassische kinetische Theorie :

Smoluchowski - Prozess: Zunahme der Anzahl der k - mere durch Agglomeration der Partikel der Größe i und k – i mit i = 1, 2 ... k - 1 Abnahme der Anzahl der k - mere durch Agglomeration mit Partikel der Größe i = 1, 2 .... max inverser Smoluchowski - Prozess : Abnahme der Anzahl der k - mere durch Dispergierung in Partikel der Größe i und k – i mit i = 1, 2 ... k - 1 Zunahme der Anzahl der k - mere durch Dispergierung in Partikel der Größe k und i = 1, 2 .... max von Smoluchowski, M.: Versuch einer mathematischen Theorie der Koagulationskinetik kolloider Lösungen, Z. Phys. Chem. 92 (1918) 129 - 168

Agglomeration :

∑∑=

−

=−−− +−+=

max

iiikk,ik

k

iikiik,iik,i

k Ck)(CCCk)(td

Cd1

1

111

21 δδ

jifürundjifürmit j,ij,i ≠=δ==δ 01

i - mer + j - mer i + j - mer = k - mer, i, j ≥ 1 ….max

kij

bij



Sol - Gel - Prozesse

Precursor Sol Gel Aerogel

kugelförmige Partikel in Gel-Struktur Xerogel

Dünnschicht-Struktur Pulver Keramik

Aerosil chemische Reaktion

Dehydratisierung

chemische Reaktion Trocknung

Trocknung

Kalzinierung Kalzinierung Kalzinierung

Beschichten

Eintauchen

organische Suspension

Tensid



Prozesse zur Synthese von Siliziumdioxid – Partikel

Ausgangsstoff Halogenide

SiCl4, SiF4

lösliche Silikate Na2SiO3 Alkoxide Si(OR)4, R = Me, Et

Prozeß Flammenhydrolyse Hydrolyse

Kondensation

Aggregation

Wachstum

Hydrolyse

Kondensation

Polymerisation

Medium Plasmaflamme Wasser Alkohole

Hydrolysefaktor Wasser H+ Wasser

pH < 7 oder pH > 7 + Salze NH3

pH > 7 + NH3

Material Pulver Gel Niederschlag Gel Koazervat

Trocknungsprozeß T < TC T > TC T < TC T > TC

Produkt Aerosil Xerogel Aerogel Präzipitat Xerogel Aerogel Koazervat



4.4.3 Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopar-tikel

Prozeß : Aerosol - Prozeß - Flammenhydrolyse

Aerosil - Prozeß Degussa 1942 - Synthese von Siliziumdioxid


Wirkprinzip:

Reaktor : Flammenreaktor

Partikelgrößenbereich:

Primärpartikelgröße 7 – 40 nm, sphärische, amorphe Partikel

Pulver als agglomerierte Partikel hoher Porosität

spezifische Oberfläche 50 – 400 m2 / g

Produkte: Titan (IV) – oxid , Aluminiumoxid, Zirkon (IV) – oxid, Zinkoxid

H2 + O2 2 H2O SiCl4 + 2 H2O SiO2 + 4 HCl SiCl4 + 2 H2 + O2 SiO2 + 4 HCl

Siliziumdioxid „fumed silica“ Siliziumtetrachlorid

Abscheidung :

Aerozyklone

Elektroabscheider

Filter

SiCl4

H2 O2



Partikelbildung bei Aerosol – Prozessen

Partikelbildung durch Gas – Partikel – Umwandlung:

übersättigter Dampf : Reaktion Keimbildung Wachstum Koagulation Abscheidung A(g) B(g) °°°°

Partikelbildung durch Partikel - Partikel – Umwandlung: Ausgangsverbindungen in Lösung :

Abscheidung Tröpfchen –

bildung

Verdampfung des Lösungs-

mittels

Reaktion in den Parti-

keln



Vorerhitzer

Chemisch – physikalische Prozesse zur Erzeugung von Nanopartikel Prozeß: Aerosol - Prozeß - Flammenhydrolyse

Synthese von Titan (IV) - oxid - „Chlorverfahren“


Wirkprinzip:

Partikelgröße: 100 – 400 nm, amorphe Partikel, Produkt aus Anatas / Rutil, An-teil Rutil steigt mit Temperatur

Vorteil: minimale Aggregation und hohe Dispersität des Pulvers Produkte: Titan (IV) – oxid, Zirkon (IV) - oxid

TiCl4 + 2 H2O TiO2 + 4 HCl

4 HCl + O2 2 H2O + 2 Cl2

TiCl4 + O2 TiO2 + 2 Cl2

Chlorwasserstoff

Titan (IV) - oxid Titan (IV) - chlorid

Flammenhydrolyse im Elektroofen

1000 – 1300 °C

1000 – 1300 °C

Titan (IV) - oxid

Kühlung

Dampf

Elektroofen TiCl4 Verdampfer

Vorerhitzer

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