EP3596006A1 - Verfahren zur herstellung von nanopartikeln aus einer flüssigen mischung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von nanopartikeln aus einer flüssigen mischung

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EP3596006A1
EP3596006A1 EP18714986.9A EP18714986A EP3596006A1 EP 3596006 A1 EP3596006 A1 EP 3596006A1 EP 18714986 A EP18714986 A EP 18714986A EP 3596006 A1 EP3596006 A1 EP 3596006A1
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EP
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mixture
reactor
fuel
oxygen
temperature
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EP18714986.9A
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Sebastian Schimek
Christian Oliver Paschereit
Moritz SIEBER
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Technische Universitaet Berlin
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Technische Universitaet Berlin
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Definitions

  • Silicon compounds e.g. Tetraethyl orthosilicate or alkylated titanium compounds, e.g. Tetraisopropylorthotitanate be used.
  • the liquid precursor-solvent solution evaporates, resulting in the formation of nanoparticles due to the high temperature in the stabilized flame.
  • the nanoparticles produced are quenched using suitable techniques (e.g., quenching), collected, and discharged from the manufacturing process.
  • the present process allows the preparation of the nanoparticles, in amounts above a few grams per hour (and thus above the laboratory scale).
  • the nanoparticles produced have a particle diameter with a d95 value of less than 1000 nm, preferably of less than 800 nm, particularly preferably of less than 500 nm.
  • the value d95 of e.g. 10,000 nanometers, that 95% of the particles of a population have a diameter of less than 1000 nm.
  • the nanoparticles produced by the present process can be used in a variety of ways. Depending on their properties (such as transparent, electrically conductive, electrically insulating, thermally conductive, or catalytically active), the nanoparticles can be used as a coating material, in electrical appliances, for heat conduction or thermal insulation or as a catalyst, etc.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus einer flüssigen Mischung aus mindestens einem Präkursor und mindestens einem Lösungsmittel in einem kontinuierlich durchströmten Reaktor umfassend die Schritte: a) Einführen von mindestens einem sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom (E) mit einer Temperatur (TE) in den mindestens einen Reaktor, b) Zugabe von mindestens einem Brennstoff (B) mit einer Temperatur (TB) in den sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom, wobei Brennstoff und sauerstoffhaltiger Gaseingangsstrom eine homogene zündfähige Mischung (ZM) mit einer Temperatur (TZM) ausbilden, wobei die Temperatur der homogenen zündfähigen Mischung (TZM) oberhalb der Selbstentzündungstemperatur (TEntzZM) der homogenen zündfähigen Mischung liegt; c) Einbringen von mindestens einer Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in die homogene zündfähige Mischung (ZM); d) Selbstentzündung der zündfähigen Mischung (ZM) aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff nach einer Zündverzugszeit (tvz) unter Bildung einer stabilisierten Flamme und Umsetzung der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in der stabilisierten Flamme unter Ausbildung von Nanopartikeln aus dem Präkursor, und e) Entfernen der gebildeten Nanopartikel aus dem Reaktor.

Description

Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus einer flüssigen Mischung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus einer flüssigen Mischung eines Präkursors und eines Lösungsmittels und einen Reaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Beschreibung
Die Synthese von spezifischen Nanomaterialien durch die Zerstäubung von Lösungen geeigneter Präkursor-Mischungen und anschließender Verbrennung des Sprays hat ein hohes Potenzial. Sie ermöglicht, in einem kontinuierlichen Prozess und auf Basis von kostengünstigen Ausgangssubstanzen, komplexe und hochreine Nanomaterialien im Abgas der Flamme in der Gasphase herzustellen. Durch das Sprayverfahren kann dabei eine große Vielfalt an chemischen Elementen genutzt und kombiniert werden. Dies unterscheidet den Sprayflammenprozess wesentlich von der industriell etablierten Partikelherstellung in Gasflammen.
Bei geeigneter Prozessführung gelingt die Herstellung von Materialien mit definierter Zusammensetzung, Partikelgröße und Morphologie - auch jenseits der thermodynamischen Stabilitätsgrenzen und damit außerhalb des erreichbaren Materialspektrums von Syntheseverfahren in der Flüssigphase. Ebenfalls lassen sich bei der Verbrennung eines Sprays nanoskopische Mischungen und Komposite unterschiedlicher Materialsysteme erzielen. Solche Materialien sind von großem praktischem und kommerziellem Interesse in einem weiten Anwendungsfeld, das z.B. technische Katalyse, Batteriespeicher und Photovoltaik einschließt.
So wird in der US 2006/0162497 A1 die Herstellung von Nanopartikeln in einem Flammensprühsystem erläutert, in welchem ein Präkursor-Medium aus einer flüssigen Phase (organisch, wässrig oder Mischung davon) und eine nicht-gasförmige Komponente in einen Flammenreaktor z.B. durch Sprühen eingeführt wird. Die so erzeugten Populationen von
Nanopartikeln weisen eine enge Verteilung der Partikelgröße auf.
Die prinzipielle Machbarkeit der Sprühflammensynthese wurde in einer Vielzahl von Experimenten und Veröffentlichungen nachgewiesen (siehe Teoh et al., Flame spray pyrolysis, Nanoscale, 2010, 2, 1324-1347). Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen ein großes Potenzial für bisher nicht erschlossene Materialien. Eine Übertragung in den technischen Maßstab und eine damit verbundene Anwendung von hoch attraktiven Materialien in großflächig eingesetzten Produkten hat bisher aber nur ansatzweise stattgefunden.
Eine Herausforderung bei der Synthese von Nanopartikeln mittels Sprühflammen besteht darin, dass für praktische Anwendungen eine möglichst geringe Verteilung der Partikelgröße und Morphologie notwendig ist (Monodispersität). Diese kann im Produktionsprozess nur erreicht werden, wenn sehr homogene Verhältnisse vorliegen. Insbesondere die Temperatur- Zeit-Historie muss für alle Partikel eine hohe Ähnlichkeit aufweisen. Im Labormaßstab wird dies in der Regel mit Hilfe von laminaren Flammen erreicht.
Für den großtechnischen Einsatz, bei dem kostengünstig große Mengen von einigen 100kg pro Tag an Partikeln hergestellt werden sollen, ist der Einsatz laminarer Sprühflammen nicht realistisch. Die notwendigen hohen Stoffumsätze durch eine oder eine geringe Anzahl (<1000) von Düsen in einem Reaktor sorgen dafür, dass relativ hohe Reynoldszahlen unvermeidbar sind und dadurch ein turbulentes Strömungsfeld entsteht. Hierbei kommt es durch die Turbulenz, aber auch durch hohe Geschwindigkeiten zu einem erhöhten Stoffaustausch (turbulente Diffusion), welcher die Verbrennungskinetik und Strömungsdynamik grundlegend verändert. So liegt z.B. die turbulente Flammgeschwindigkeit meist um eine Größenordnung über der laminaren Flammgeschwindigkeit und das von turbulenter Zähigkeit geprägte Strömungsfeld unterscheidet sich wesentlich von der zuvor betrachteten laminaren Strömung. Die Zielsetzung für die vorliegende Erfindung ist, dass trotz dieser Randbedingungen eine näherungsweise eindimensionale Strömung im Reaktor vorliegt, welche zudem die im Folgenden beschriebenen stabilen Prozessbedingungen ermöglicht. Eine wesentliche Schwierigkeit bei der großtechnischen Anwendung dieser Technologie besteht darin, die Flamme zu stabilisieren. Bei großen Stoffströmen sind zwangsläufig hohe Geschwindigkeiten im Reaktor assoziiert. In industriellen Verbrennungssystemen für andere Anwendungen werden leistungsstarke Flammen häufig drallstabilisiert. Das bedeutet, dass sich durch den Drall der Strömung sogenannte Rezirkulationszonen oder RückStromgebiete bilden. Diese sorgen dafür, dass die frischen Edukte mit rezirkulierendem Abgas vermischt werden, welches zum einen eine sehr hohe Temperatur hat und zum zweiten noch Reaktionszwischenprodukte, wie beispielsweise Radikale enthält. Diese Rezirkulation führt zur Zündung der frischen Edukte und somit zu einer Stabilisierung der Flamme durch den Drall. Für die Sprühflammensynthese von Nanopartikeln ist dieser Ansatz ungeeignet, da durch die Rezirkulation von Teilen des Abgases eine starke Inhomogenität in der Aufenthaltszeitverteilung des Präkursormaterials in der unmittelbaren Umgebung der heißen Reaktionszone entstünde. Dies würde zu einer starken Streuung in der Temperatur-Zeit- Historie und somit in der Größenverteilung der erzeugten Partikel führen.
Die verschiedenen Zündmechanismen sind im Folgenden zusammengefasst: i) In einer laminaren Flamme werden die Edukte im Wesentlichen dadurch zur chemischen Reaktion gebracht, dass Temperatur und aktive Zwischenprodukte (Radikale) von der Reaktionszone stromauf, d.h. in das unverbrannte Brennstoff- Oxidator-Gemisch hinein diffundieren. ii) In turbulenten Flammen oder auch Flammen mit Abgasrezirkulation zünden die Edukte ebenfalls durch eine Vermischung der Edukte mit dem heißen Abgas (hohe Temperatur und aktive Zwischenprodukte). In diesem Fall basiert die Vermischung jedoch nicht ausschließlich auf der zähen Diffusion, sondern auch auf turbulenten Transportprozessen (turbulente Diffusion). iii) Eine weitere Möglichkeit der Entzündung eines Brennstoff-Oxidator Gemisches besteht darin, dieses Gemisch über die Selbstentzündungstemperatur hinaus zu erwärmen. Abhängig von der Temperatur und exakten Gemischzusammensetzung beginnt nach einer charakteristischen Zündverzugszeit die chemische Reaktion (Auto-Ignition).
Der Prozess der Selbstzündung kann dabei wie folgt erklärt werden. Wird ein Brennstoff- Oxidator-Gemisch über die Selbstentzündungstemperatur erhitzt, so beginnen sich aus den Verbrennungsedukten erste Zwischenprodukte zu bilden, welche wiederum weitere Reaktionen anstoßen und mit der Bildung von Verbrennungsprodukten zusätzliche Wärme freisetzen. Die Temperatur steigt dabei exponentiell an bis ein Großteil der Verbrennungsprodukte reagiert hat und sich im Maximum die Flammtemperatur einstellt. Die Zeitskala auf welcher diese Kettenreaktion abläuft, wird über die Zündverzugszeit charakterisiert, welche die Zeitspanne vom Erreichen der Selbstentzündungstemperatur bis zur Beobachtung einer Lumineszenz der Flamme bezeichnet. Die Zündverzugszeit reduziert sich mit höheren Temperaturen und hängt zudem von der Zusammensetzung des Gemisches ab. Die Zündverzugszeit kann im Bereich von Mikrosekunden bis Sekunden liegen. Die Selbstzündung findet verbreitete technische Anwendung in Dieselmotoren, wobei die Zündtemperatur durch die Erwärmung bei der Kompression des Brennstoff-Luft Gemisches im Kolben erreicht wird. In Ottomotoren hingegen ist sie für das unerwünschte Klopfen des Motors verantwortlich, was wiederum durch Einstellung der Oktanzahl des Brennstoffs verhindert wird.
Die Anwendung der Selbstzündung von Gemischen aus einem Brennstoff und einem geeigneten Präkursor zur Herstellung von Metallnitrid und Metalloxid-Pulver ist z.B. in der US 2008/ 0131350 A1 beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch nicht für den großindustriellen Einsatz geeignet, da die beschriebene Apparatur keine großen Durchsätze erlaubt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die beschriebenen Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur Herstellung von monodispersen Nanopartikeln bereitzustellen, welches für eine großindustrielle Produktion geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln gemäß Anspruch 1 und einem Reaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Entsprechend wird ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus mindestens einem Präkursor und mindestens einem Lösungsmittel in einem kontinuierlich durchströmten Reaktor bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Einführen von mindestens einem sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom (E) mit einer Temperatur TE in den mindestens einen Reaktor, b) Zugabe von mindestens einem Brennstoff (B) mit einer Temperatur TB in den sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom, wobei Brennstoff und sauerstoffhaltiger Gaseingangsstrom eine homogene zündfähige Mischung (ZM) mit einer Temperatur TZM ausbilden, wobei die Temperatur der homogenen zündfähigen Mischung TZM oberhalb der Selbstentzündungstemperatur TEntzZM der homogenen zündfähigen Mischung liegt, c) Einbringen von mindestens einer Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in die homogene zündfähige Mischung (ZM); d) Selbstentzündung der zündfähigen Mischung (ZM) aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff nach einer Zündverzugszeit tvz unter Bildung einer stabilisierten Flamme und Verdampfen/Verbrennen der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in der stabilisierten Flamme unter Ausbildung von Nanopartikeln aus dem Präkursor, und e) Entfernen der gebildeten Nanopartikel aus dem Reaktor.
Es wird demnach ein Verfahren zur Synthese von Nanopartikeln bereitgestellt, in welchem in einem kontinuierlich durchströmten Reaktor eine Flamme an einer festen Position durch eine präzise Einstellung der Prozessparameter stabilisiert wird. Die Stabilisierung der Flamme beruht dabei auf dem Prinzip der Selbstzündung und lässt sich durch die Zündverzugszeit steuern.
Hierzu wird zunächst an einem Reaktoreinlass ein sauerstoffhaltiges Gas eingeführt (Schritt a), welches auf eine vorbestimmte Temperatur TE vorgewärmt wurde. Die Art der Vorheizung des Gases am Einlass ist kein wesentlicher Bestandteil des Verfahrens und kann z.B. durch eine Vorflamme, elektrische Heizung, Wärmetauscher oder ähnliches erfolgen.
Dem heißen sauerstoffhaltigen Gasstrom wird in Schritt b) ein Brennstoff, z.B. ein gasförmiger Brennstoff zugegeben, welcher so eingebracht wird, dass sich der Brennstoff sehr schnell mit dem Gas zu einer homogenen Mischung vermischt. Wesentlich ist dabei immer, dass nach kurzer Zeit bzw. kurzer Lauflänge im Reaktor eine homogene Mischung von sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff vorliegt.
Die resultierende homogene Mischung aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff bildet ein zündfähiges Gemisch. Die Temperatur der resultierenden Zündmischung liegt zudem über der
Selbstzündungstemperatur der Mischung, wobei aber ein Abbrennen des Gemisches erst nach dem Verstreichen einer Zündverzugszeit tzv erfolgt. Die Zündverzugszeit ergibt sich im Wesentlichen durch Zusammensetzung der Mischung und deren Temperatur. Durch geeignete Wahl des Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis und der Temperatur kann diese gesteuert werden.
In Schritt e) erfolgt das Einbringen z.B. Injizieren der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in die homogene zündfähige Mischung (ZM). Die Selbstentzündung der zündfähigen Mischung (ZM) aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff in Schritt d) erfolgt nach einer Zündverzugszeit tvz unter Bildung einer stabilisierten Flamme. Die Zündverzugszeit tvz ist abhängig von den chemischen Eigenschaften des Brennstoffes. Die Reaktionsraten und Wärmefreisetzung der einzelnen Reaktionspfade sind dabei entscheidend dafür, in welcher Zeit die Reaktionen ablaufen. Zusätzlich wird die Zündverzugszeit von den Eigenschaften der sauerstoffhaltigen Gaseingangsströmung, insbesondere Temperatur, Zusammensetzung (wie vorhandene Radikale aus einer Vorflamme, Inertgasanteile durch Vorflamme, wie H20, CO2 - Gehalt) und/oder Druck beeinflusst. Diese Parameter der Gaseingangsströmung sind so aufeinander abgestimmt, dass das Produkt aus Zündverzugszeit und Strömungsgeschwindigkeit einen festen Abstand zwischen Brennstoffeindüsung und der Position im Reaktor definiert an welcher sich die Flamme durch Selbstzündung stabilisiert. Die wesentlichen Stellgrößen, welche zur Einstellung der Zündverzugszeit und somit eines stabilen Arbeitspunkts des Reaktors genutzt werden sind Massenströme und Temperaturen der Eingangsströme. Wesentlich sind insbesondere die Wahl des Brenngases, Temperatur der Mischung, und das Sauerstoff- Brennstoff-Verhältnis. Der Prozess der Selbstzündung ist sehr komplex. So sind bei der Verbrennung von Mischungen hunderte Reaktionspfade von Zwischenprodukten möglich. Durch Variation von Parametern wie Temperatur, Druck oder dem Anteil inerter Gase ändert sich dadurch nicht nur die Reaktionsrate, sondern unter Umständen auch der bevorzugte Reaktionspfad. Trends wie die Reduktion der Zündverzugszeit mit steigender Temperatur können sich dadurch mitunter umkehren. Entsprechend muss jede mögliche Mischung gesondert betrachtet werden
Entsprechend erfolgt in einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens die Selbstentzündung des Zündgemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff mit einer von der Strömungsgeschwindigkeit v und Temperatur der Eingangsströmung TG abhängigen Zündverzugszeit tvz. Die Zündverzugszeit tvz kann in einem Bereich zwischen 1 με bis 1 s, bevorzugt 1 ms bis 200ms, insbesondere 10 ms bis 100 ms liegen. So weist eine stöchiometrische Luft-Wasserstoff-Mischung mit einer Temperatur von 860K eine Zündverzugszeit von 10ms auf. Eine stöchiometrische Luft-Methan-Mischung hat bei der gleichen Temperatur bereits eine Zündverzugszeit von einigen Sekunden. In der Ausführungsform mit Methan ist eine Temperatur von 1700K notwendig um eine Zündverzugszeit von 10ms zu erreicht. Ein weiterer wesentlicher Punkt ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit (resultierend aus dem Querschnitt, Dichte der Mischung, und Summe der Massenströme an sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff), welche sich im Reaktor einstellt größer als die turbulente Flammgeschwindigkeit der Mischung ist. Dies verhindert einen Rückschlag der Flamme zum Ort der Brennstoffzugabe.
Entsprechend weist in einer Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens die homogene zündfähige Mischung (ZM) eine Strömungsgeschwindigkeit VZM im Reaktor auf (bzw. stellt sich ein), die größer ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit vF der sich aus der zündfähigen Mischung (ZM) in Schritt d) durch Selbstentzündung gebildeten Flamme.
Die Strömungsgeschwindigkeit VZM des sauerstoffhaltigen Gaseingangsstroms kann in einem Bereich zwischen 5 und 200 m/s, bevorzugt zwischen 10 und 1 00 m/s liegen
Die turbulente Flammgeschwindigkeit VF für eine magere Verbrennung in Luft bei 300K mit z.B. Wasserstoff liegt zwischen 1 und 150 m/s oder mit Methan zwischen 9 und 35 m/s. Sie skaliert mit dem Turbulenzgrad, Druck und Temperatur der Strömung und kann mitunter noch stärker variieren.
Zudem ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Zündverzugszeit ein Abstand x = VZM * tvz zum Ort an welchem das Gemisch abbrennt und sich entsprechend die Flamme durch Selbstzündung stabilisiert. Dieser Abstand x liegt bevorzugt im Bereich 0.01 m bis 10 m, insbesondere bevorzugt in einem Bereich zwischen 0, 1 m bis 2 m.
In einer Variante des vorliegenden Verfahrens wird als sauerstoffhaltiges Gas Luft oder eine Mischung aus Sauerstoff mit mindestens einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid, Argon verwendet. Das sauerstoffhaltige Gas wird vorgeheizt, wobei geeignete Wärmequellen eine Vorflamme, elektrische Heizung, Wärmetauscher oder ähnliches sein können. Bevorzugt ist die Verwendung einer Vorflamme (z.B. eine magere drallstabilisierte Erdgasflamme) oder das Nutzen eines mittels Hochspannung erzeugten Plasma für diesen Zweck, da hierdurch nicht nur eine hohe Temperatur erreicht werden kann, sondern auch aktive Reaktionszwischenprodukte (Radikale) im Massenstrom enthalten sind, welche die Selbstzündung zusätzlich positiv beeinflussen Es ist ebenfalls möglich, dem sauerstoffhaltigen Gas oder dem Brennstoff einen Katalysator zuzugeben oder das Gasgemisch gezielt zu variieren, was eine zusätzliche Einstellung der Zündverzugszeit erlaubt. Wenn als Brennstoff beispielsweise Methan genutzt wird, können Dimethylether oder langkettige Iso-Alkane verwendet werden, um die Zündverzugszeit zu verringern. Eine Vergrößerung der Zündverzugszeit kann beispielsweise erreicht werden, indem dem saustoffhaltigen Gas inerte Gase, wie zum Beispiel Stickstoff zugeführt werden. Die damit verbundene Verringerung des Sauerstoffgehaltes im zündfähigen Gemisch erhöht die Zündverzugszeit. Weiterhin erlaubt eine Mischung von verschiedenen Brenngasen wie z.B. Wasserstoff und Methan eine kontinuierliche Variation der Zündverzugszeit zwischen den Werten der beiden einzelnen Gase.
Die Volumenverhältnisse bei der Zugabe von inerten Gasen werden durch die Zündfähigkeit des Gemisches begrenzt. Die Temperatur TE der sauerstoffhaltigen Gaseingangsströmung liegt in einem Bereich zwischen 500 - 1500 K, bevorzugt zwischen 900 - 1400 K. Je nach verwendetem Brennstoff (bzw. Lösemittel), Verdampfungsenthalpie, Zündtemperatur, Äquivalenzverhältnis und/oder Druck kann die Temperatur der Gaseingangsströmung aber auch darüber oder darunter liegen. So können langkettige Kohlenwasserstoffe auch schon bei Temperaturen unter 900K zünden was beispielsweise einen Betrieb bei niedereren Temperaturen erlauben würde.
Der zum Einsatz kommende Brennstoff kann ein gasförmiger Brennstoff und/oder ein flüssiger Brennstoff sein. Als gasförmige Brennstoffe kommen Gase wie Wasserstoff, Erdgas, Methan, Propan, Butan oder weitere Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Als flüssige Brennstoffe eignen sich solche Substanzen, die entweder sofort verdampfen oder sehr fein verstäubt werden können.
In einer weiteren Variante des vorliegenden Verfahrens kann als Brennstoff ein organischer Brennstoff verwendet werden, der bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe enthaltend Methanol, Ethanol, Isopropanol, sonstige Alkohole, Tetrahydrofuran, 2-Ethylhexansäure,
Acetonitril, Essigsäure, Essigsäureanhydrid, Harnstoff, N-Methylharnstoff, Glycin, Zitronensäure, Stearinsäure und einfache nichtaliphatische Kohlenwasserstoffe wie Pentan, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan, Decan, Undecan, Dodecan oder aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylol. Es ist aber auch generell möglich andere Brennstoffe zu verwenden. Der Brennstoff wird mit einer Temperatur TB in einem Bereich zwischen 250 und 1500 K, bevorzugt zwischen 300 und 500 K in den sauerstoffhaltigen Gasstrom eingeführt. Die sich daraus ergebene Temperatur TZM der zündfähigen Mischung liegt entsprechend unter der Temperatur TE des sauerstoffhaltigen Gaseingangsstromes.
In einer Variante wird z.B. Wasserstoff als Brennstoff mit einer Temperatur von 300 K in die Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1000 K zugegeben, wobei die sich ausbildende zündfähige Mischung eine Temperatur TZM von ca. 890K aufweist. Die sich für die Zündmischung ergebene Selbstentzündungstemperatur ΤΕΠΙΖΜ liegt bei 770K.
Die Luftzahl λ der zündfähigen Mischung gibt die Sauerstoffmenge der Gaseingangsströmung relativ zur für die Oxidation des Brennstoffes benötigten Sauerstoffmenge an, wobei ein Wert von λ größer 1 auf einen Luftüberschuss verweist, und ein Wert von λ kleiner 1 auf einen Luftmangel verweist. Der Bereich möglicher Luftzahlen wird durch die Zündfähigkeit des Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches begrenzt und kann in einem Bereich zwischen 0,1 und 25, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,5 bis 10, insbesondere bevorzugt zwischen 1 bis 3 liegen.
Als Präkursor können Metallsalze oder metallorganische Verbindungen verwendet werden.
Wird ein Metallsalz als Präkursor verwendet, so ist das verwendete Metallsalz ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Salze von Aluminium, Barium, Wismut, Calcium, Cer, Eisen, Magnesium, Platin, Palladium, Strontium, Titan, Zirkonium, Mangan, Chrom, Zink, Kupfer, Nickel, Cobalt, Yttrium, Silber, Vanadium, Molybdän oder von anderen Metallen. In einer Variante werden unter anderem Eisennitrat, Aluminiumtnisopropanolat, Zinknaphtenat oder
Mangannitrat als Präkursor verwendet. Auch ist der Einsatz von Halbmetallsalzen wie z.B. Salze aus Silizium generell vorstellbar. Auch hier ist die Verwendung von weiteren Metallsalzen oder Halbmetallsalzen vorstellbar. Im Falle der Verwendung von metallorganischen Verbindungen als Präkursor können alkylierte
Siliziumverbindungen wie z.B. Tetraethylorthosilicat oder alkylierte Titanverbindungen, wie z.B. Tetraisopropylorthotitanat verwendet werden.
Des Weiteren kann die Verbrennung des Substanz-Gemisches in Gegenwart von Stickstoff und/oder in Gegenwart von Additiven wie Natriumazid oder Lithiumnitrid durchgeführt werden. Dies ermöglicht neben der Herstellung von Oxiden auch die Herstellung von Nitriden. Als weitere Additive können der Mischung Viskositätsmodifikatoren (wie z.B. Methanol, Ethanol, Isopropanol), Oberflächenmodifikatoren (wie z.B. Alkylsulfate, Alkylsulfonate, Fettsäuren), Emulgatoren (wie z.B. Monoglyceride, Polysaccharide) oder Stabilisatoren (wie z.B. Polyalkohole, Polyamine, Polyacrylate, Polyoxide) zugegeben werden.
In einer weitergehenden Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens wird die Präkursor- Lösungsmittel-Mischung über mindestens eine Düse oder Zerstäuber in den Gasstrom injiziert bzw. eingesprüht. Die Mischung wird durch die Injektion fein zerstäubt und der Abstand der Injektion zur Flamme wird so gewählt, dass die Mischung noch nicht vollständig verdampft ist. Andernfalls kann es der Fall sein, dass bei hoher Temperatur des Gasstroms lediglich das Lösungsmittel verdampft, der Präkursor ausfällt und dadurch große Partikel bildet (Spraytrocknung). Die Präkursor-Lösungsmittel-Mischung wird vorzugsweise bei Raumtemperatur (300K) zugegeben. Zur Anpassung der Viskosität der Mischung an technische Beschränkungen des Injektors (z.B. Düsenquerschnitt) kann die Temperatur jedoch variiert werden, insbesondere erhöht werden (z.B. 500 K).
Für die Injektion der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung kann beispielsweise ein Ultraschall- Zerstäuber oder eine druckgeregelte Einspritzdüse verwendet werden. Ultraschall-Zerstäuber erzeugen Flüssigkeitströpfchen unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials, das bei Ultraschallfrequenzen vibriert, um die Flüssigkeit in kleine Tröpfchen zu zerteilen. Auch ist der Einsatz von druckgeregelten Einspritzdüsen oder anderen Injektorsystemen möglich.
Bevorzugt werden Einspritzdüsen verwendet, die eine Tröpfchengröße von 10-100μηι erzeugen können.
Das Lösungsmittel der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung ist bevorzugt Wasser oder ein organisches Lösungsmittel, wie z.B. Alkohole (Methanol, Ethanol, Isopropanol etc.) oder Xylol. Die Wahl des Lösungsmittels richtet sich in erster Linie nach der Löslichkeit des Präkursors. Es kann sich um ein Lösungsmittel wie z.B. Wasser handeln, welches nach der Verdunstung nicht weiter reagiert und bei der Verbrennung als inertes Gas nicht direkt beteiligt ist oder Lösungsmittel aus der Gruppe der oben genannten flüssigen Brennstoffe, welche bei der Verbrennung zusammen mit dem gasförmigen Brennstoff abbrennen. Die Konzentration des Präkursors in der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung ergibt sich aus den jeweiligen Löslichkeitsgrenzen des Präkursors in dem verwendeten Lösungsmittel. So kann die Konzentration von Metallsalzen in Wasser als Lösungsmittel in einem Bereich zwischen 0, 1 molar und 1 molar liegen. Dies hängt jedoch wie ausgeführt von dem spezifischen Präkursor-Lösungsmittel-Gemisch ab.
In der stabilisierten Flamme verdampft die flüssige Präkursor-Lösungsmittel-Lösung, wobei es aufgrund der hohen Temperatur in der stabilisierten Flamme zur Ausbildung von Nanopartikeln kommt. Die erzeugten Nanopartikel werden unter Verwendung geeigneter Methoden abgekühlt (z.B. Quenchen), gesammelt und aus dem Herstellungsprozess ausgeschleust.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht die Herstellung der Nanopartikel, in Mengen oberhalb von wenigen Gramm pro Stunde (und damit über dem Labormaßstab) liegt. Die hergestellten Nanopartikel weisen einen Partikeldurchmesser mit einem d95 Wert von weniger als 1 000 nm, bevorzugt von weniger als 800 nm, insbesondere bevorzugt von weniger als 500 nm auf. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet der Wert d95 von z.B. 1 0OOnm, dass 95% der Partikel einer Population einen Durchmesser von weniger als 1000 nm aufweisen.
Die gebildeten Nanopartikel weisen eine unimodale Größenverteilung auf, wobei die Form der Nanopartikel meist, aber nicht notwendigerweise sphärisch, uniform und homogen ist. Die Nanopartikel sind durch eine enge Größenverteilung mit geringer Standardabweichung charakterisiert. So weist in einer Ausführungsform die erzeugte Population der Nanopartikel eine Standardabweichung von weniger als 2,2, bevorzugt weniger als 2,0, insbesondere bevorzugt weniger als 1 ,8 auf.
Die mit dem vorliegenden Verfahren erzeugten Nanopartikel können in vielfältiger Weise eingesetzt werden. In Abhängigkeit von ihren Eigenschaften (wie transparent, elektrisch leitend, elektrisch isolierend, thermisch leitend, oder katalytisch aktiv) können die Nanopartikel als Beschichtungsmaterial, in elektrischen Geräten, zur Wärmeleitung oder Wärmeisolation oder als Katalysator etc. verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Reaktor durchgeführt, der folgendes umfasst: - einen ersten Abschnitt A mit mindestens einem Mittel zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms;
- einen zweiten, stromabwärts von dem ersten Abschnitt A, vorgesehenen Abschnitt B mit mindestens einem Mittel zum Einbringen von mindestens einem
Brennstoff in den Reaktor;
- einen dritten, stromabwärts von dem ersten Abschnitt A, vorgesehenen Abschnitt C mit mindestens einem Mittel zum Injizieren der mindestens einen Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in den Reaktor;
- einen vierten, stromabwärts von dem zweiten Abschnitt B und dritten Abschnitt C vorgesehenen Abschnitt D zur Selbstentzündung des zündfähigen Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff; und
- einen fünften, stromabwärts vom Abschnitt D vorgesehenen Abschnitt E zur Ausbildung und Entfernung der gebildeten Nanopartikel aus dem Reaktor.
In einer Ausführungsform des vorliegenden Reaktors entspricht der Abstand x zwischen dem Abschnitt B, in welchem der Brennstoff eingebracht wird, und dem Abschnitt D, in welchem die Selbstentzündung des zündfähigen Gemisches erfolgt, der Gleichung x = VZM *tvz.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des vorliegenden
Verfahrens.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau für eine selbstzündungstabilisierte Flamme zur - Nanopartikelsynthese aus einem flüssigen Spray.
In einem ersten Abschnitt A wird in Schritt 1 eine erwärmte, vorkonditionierte sauerstoffhaltige Gaseingangströmung mit der Temperatur TE bereitgestellt. Die Vorkonditionierung der Eingangsströmung kann beispielsweise durch ein elektrisches Heizgerät erfolgen. Weitere Optionen bestehen darin eine magere Vorflamme, beispielsweise eine magere drallstabilisierte Erdgasflamme oder ein mittels Hochspannung erzeugtes Plasma zu nutzen. Hierbei spielt nicht nur die entstehende Temperatur der Eingangsströmung eine Rolle. Ebenfalls die Änderung der Konzentration an Sauerstoff durch eine Vorflamme kann eine Erhöhung der Zündverzugszeit bedingen, wohingegen durch die Verbrennung oder das Plasma in der Strömung befindliche Radikale zu einer drastischen Senkung der Zündverzugszeit führen können.
In Abschnitt B wird in Schritt 2 dem heißen Gasstrom ein vorzugsweise gasförmiger Brennstoff zugegeben, welcher so eigebracht wird, dass sich der Brennstoff sehr schnell mit dem Gas zu einer homogenen Mischung vermischt. Als Brennstoff geeignet sind Wasserstoff, Erdgas, Methan, Propan, Butan aber auch flüssige Brennstoffe. Wesentlich ist dabei immer, dass nach kurzer Zeit bzw. kurzer Lauflänge im Reaktor eine homogene Mischung vorliegt.
In Schritt 3 bildet sich aus der homogenen Mischung aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff ein zündfähiges Gemisch. Die Temperatur der resultierenden Mischung liegt über der Selbstzündungstemperatur der Mischung, wobei aber ein sofortiges Abbrennen des Gemisches nicht stattfindet. Dieses beginnt erst nach Verstreichen der Zündverzugszeit tvz, also bei Erreichen von Abschnitt D.
In Abschnitt C des Reaktors wird in Schritt 4 die flüssige Präkursor-Lösungsmittel-Mischung durch eine Zerstäubungsdüse eingebracht. Der Abstand zur Flamme in Abschnitt D des
Reaktors wird dabei so gewählt, dass die Flüssigkeit vor dem Erreichen der Flamme noch nicht vollständig verdampft ist. In der Figur ist Abschnitt C stromabwärts von Abschnitt B abgebildet, je nach Prozessführung kann Abschnitt C auch stromauf von Abschnitt B liegen. Das verwendete Lösungsmittel muss nicht zwingend brennbar sein.
In Abschnitt D, wenn also die charakteristische Zündverzugszeit abgelaufen ist, findet die Selbstzündung des zündfähigen Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff statt (Schritt 5). Im Abschnitt D verbrennen Brennstoff und ggf. Lösungsmittel. Der Präkursor für die Nanopartikel wird vorzugsweise in die Gasphase überführt. Der Präkursor kann dabei eine Reaktion durchlaufen (Oxidation, Reduktion, Pyrolyse, Hydrolyse) und das Lösungsmittel kann ggfs. durch Verbrennen zusätzliche thermische Energie freisetzen, wodurch lokal sehr hohe Temperaturen erreicht werden. Eine überkritische Erhitzung von Flüssigkeitstropfen und daraus resultierende explosionsartige Verdampfung ist auch möglich (Rosebrock et al., AIChE Journal, 2016, Vol 62, 381 -391 ). Dieser Mechanismus erlaubt auch die Bildung von Tröpfchen der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung welche kleiner als ein Mikrometer sind und damit die Bildung von Nanopartikeln ohne vorherigen Übergang in die Gasphase. Um diesen Prozessablauf zu gewährleisten, ist eine präzise Vorkonditionierung der Eingangsströmung notwendig. Die Temperaturen und Massenströme der zugeführten Stoffe müssen sehr stabil auf einen Wert geregelt werden, um die Flamme stabil an einer Position zu halten. Zur Einstellung der Flammenposition bei definierten Prozessbedingungen können die theoretischen Zündverzugszeiten eine Orientierung liefern, ein optischer Zugang zum Reaktor zur Anpassung und Kontrolle der Flammposition hat sich jedoch bei der Umsetzung im Labor als hilfreich erwiesen. In Abschnitt E des Reaktors entstehen in Schritt 6 Nanopartikel vorzugsweise durch Kondensation aus der Gasphase während und nach der Verbrennung, die nachfolgend entsprechend aus dem Reaktor entfernt werden. Eine Bildung von Partikeln direkt aus der flüssigen Phase ist jedoch auch möglich. Ausführunqsbeispiel 1 :
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1000K in den Reaktor eingeführt. Es wird Wasserstoff in einer Luftzahl von 2 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Wasserstoff-Mischung mit einer Temperatur von 890K. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.10ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 40 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 80 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 800mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 100mm stromauf der Flamme wird eine 0,1 molare Lösung von Eisen(lll)Nitrat in Ethanol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 1 ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von Fe203 Nanopartikeln kommt. Ausführunqsbeispiel 2:
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1000K in den Reaktor eingeführt. Es wird Wasserstoff in einer Luftzahl von 1 ,7 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Wasserstoff-Mischung mit einer Temperatur von 870K. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.1 1 ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 56 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 100 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 1 100mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 100mm stromauf der Flamme wird eine 0,1 molare Lösung von Mangan(ll)-nitrat in Isopropanol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 1 ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von Mn203 Nanopartikeln kommt.
Ausführunqsbeispiel 3:
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1000K in den Reaktor eingeführt. Es wird Wasserstoff in einer Luftzahl von 2,5 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Wasserstoff-Mischung mit einer Temperatur von 91 OK. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.8ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 24 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 50 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 400mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 100mm stromauf der Flamme wird eine 0,1 molare Lösung von Zinknaphthenat in Ethanol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 2ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von ZnO Nanopartikeln kommt.
Ausführunqsbeispiel 4:
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 900K in den Reaktor eingeführt. Es wird Wasserstoff in einer Luftzahl von 2,5 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Wasserstoff-Mischung mit einer Temperatur von 830K. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.48ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 23 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 50 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 2400mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 100mm stromauf der Flamme wird eine 0,1 molare Lösung von Aluminiumtriisopropanolat in Isopropanol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 2ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von AI2O3 Nanopartikeln kommt.
Ausführunqsbeispiel 5:
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1400K in den Reaktor eingeführt. Es wird Methan in einer Luftzahl von 1 ,7 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Methan-Mischung mit einer Temperatur von 1330K. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.25ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 1 6 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 30 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 750mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 1 00mm stromauf der Flamme wird eine 0, 1 molare Lösung von Tetraisopropylorthotitanat in Xylol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 3ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von Ti02 Nanopartikeln kommt.
Ausführunqsbeispiel 6:
Es wird eine Lufteingangsströmung mit einer Temperatur von 1 300K in den Reaktor eingeführt. Es wird Methan in einer Luftzahl von 1 ,7 und einer Temperatur von 300K zugegeben. Dadurch ergibt sich im Reaktor eine Luft-Methan-Mischung mit einer Temperatur von 1230K. Dieses Gemisch hat eine Zündverzugszeit von ca.70ms und eine turbulente Flammgeschwindigkeit von ca. 14 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit im Reaktor ergibt sich nunmehr aus dem gesamten Massenstrom und dem Querschnitt und wird im Folgenden auf 30 m/s eingestellt. Damit ergibt sich Lauflänge x von 2100mm von der Brennstoffeindüsung (2) bis zur Position der Flamme (5). In einem Abstand 1 00mm stromauf der Flamme wird eine 0, 1 molare Lösung von Tetraethylorthosilicat in Isopropanol bei 300 K eingesprüht (4). Diese erreicht schon nach ca. 3ms die Flamme wodurch die Tropfen noch nicht verdunstet sind. In der Flamme verdampft die flüssige Lösung und das Lösungsmittel verbrennt wobei es durch die hohen Temperaturen zur Bildung von S1O2 Nanopartikeln kommt.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln aus einer flüssigen Mischung aus mindestens einem Präkursor und mindestens einem Lösungsmittel in einem kontinuierlich durchströmten Reaktor umfassend die Schritte: a) Einführen von mindestens einem sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom (E) mit einer Temperatur TE in den mindestens einen Reaktor, b) Zugabe von mindestens einem Brennstoff (B) mit einer Temperatur TB in den sauerstoffhaltigen Gaseingangsstrom, wobei Brennstoff und sauerstoffhaltiger Gaseingangsstrom eine homogene zündfähige Mischung (ZM) mit einer Temperatur TZM ausbilden, wobei die Temperatur der homogenen zündfähigen Mischung TZM oberhalb der Selbstentzündungstemperatur TEntzZM der homogenen zündfähigen Mischung liegt, c) Einbringen von mindestens einer Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in die homogene zündfähige Mischung (ZM); und d) Selbstentzündung der zündfähigen Mischung (ZM) aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff nach einer Zündverzugszeit tvz unter Bildung einer stabilisierten Flamme und Umsetzung der Präkursor-Lösungsmittel-Mischung in der stabilisierten Flamme unter Ausbildung von Nanopartikeln aus dem Metallsalz-Prekursor, und e) Entfernen der gebildeten Nanopartikel aus dem Reaktor.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die homogene zündfähige Mischung (ZM) eine Strömungsgeschwindigkeit VZM im Reaktor aufweist die größer ist als die turbulente Flammengeschwindigkeit VF der sich aus der zündfähigen Mischung (ZM) in Schritt d) durch Selbstentzündung gebildeten Flamme.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit VZM des sauerstoffhaltigen Gaseingangsstroms in einem Bereich zwischen 5 und 200 m/s, bevorzugt zwischen 10 und 100 m/s liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als sauerstoffhaltiges Gas Luft oder eine Mischung aus Sauerstoff mit mindestens einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, Kohlendioxid, Argon verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur TE des sauerstoffhaltigen Gaseingangsstroms in einem Bereich zwischen 500 - 1500 K, bevorzugt zwischen 900 - 1400 K liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Brennstoff (B) ein gasförmiger Brennstoff und/oder ein flüssiger Brennstoff ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl λ der zündfähigen Mischung in einem Bereich zwischen 0,1 und 25, bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,5 bis 10, insbesondere bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 bis 3 liegt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Präkursor ein Metallsalz ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium, Barium, Wismut, Calcium, Cer, Eisen, Magnesium, Platin, Palladium, Strontium, Titan, Zirkonium, Mangan, Chrom, Zink, Kupfer, Nickel, Cobalt, Yttrium, Silber, Vanadium, Molybdän oder anderen Metallen oder Halbmetallen ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Präkursor-Lösungsmittel-Mischung über mindestens eine Düse oder Zerstäuber in die homogene Zündmischung injiziert bzw. eingesprüht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Injektion der Präkursor- Lösungsmittel-Mischung ein Ultraschall-Zerstäuber oder eine druckgeregelte Einspritzdüse verwendet wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel der Metallsalz-Präkursor-Lösungsmittel-Mischung ausgewählt ist aus einer Gruppe enthaltend Wasser oder ein organisches Lösungsmittel ist.
1 2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündverzugszeit tvz in einem Bereich zwischen 1 με bis 1 s, bevorzugt 1 ms bis 200ms, insbesondere 10 ms bis 100 ms liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Nanopartikel einen Partikeldurchmesser mit einem d95 Wert von weniger als 1000 nm, bevorzugt weniger als 800 nm, insbesondere bevorzugt weniger als 500 nm aufweisen.
14. Reaktor zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
- einen ersten Abschnitt A mit mindestens einem Mittel zum Einführen eines sauerstoffhaltigen Gasstroms in den Reaktor;
- einen zweiten, stromabwärts von dem ersten Abschnitt A, vorgesehenen Abschnitt B mit mindestens einem Mittel zum Einbringen von mindestens einem Brennstoff in den Reaktor;
- einen dritten, stromabwärts von dem ersten Abschnitt A, vorgesehenen Abschnitt C mit mindestens einem Mittel zum Injizieren der mindestens einen Prekursor-Lösungsmittel-Mischung in den Reaktor;
- einen vierten, stromabwärts von dem zweiten Abschnitt B und dritten Abschnitt C vorgesehenen Abschnitt D zur Selbstentzündung des zündfähigen Gemisches aus sauerstoffhaltigem Gas und Brennstoff; und
- einen fünften, stromabwärts vom den Abschnitt D vorgesehenen Abschnitt E zur Ausbildung und Entfernung der gebildeten Nanopartikel aus dem Reaktor.
1 5. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x zwischen dem Abschnitt B, in welchem der Brennstoff eingebracht wird, und dem Abschnitt D, in welchem die Selbstentzündung des zündfähigen Gemisches erfolgt, der Gleichung x = VZM * tvz entspricht.
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