WO2009013187A1 - Microwave-induced process for preparing nanoparticulate metal oxides - Google Patents

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WO2009013187A1
WO2009013187A1 PCT/EP2008/059259 EP2008059259W WO2009013187A1 WO 2009013187 A1 WO2009013187 A1 WO 2009013187A1 EP 2008059259 W EP2008059259 W EP 2008059259W WO 2009013187 A1 WO2009013187 A1 WO 2009013187A1
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nanoparticles
reaction mixture
acid
metal oxide
process according
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PCT/EP2008/059259
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Andrey Karpov
Hartmut Hibst
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Basf Se
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G9/00Compounds of zinc
    • C01G9/02Oxides; Hydroxides
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B13/00Oxygen; Ozone; Oxides or hydroxides in general
    • C01B13/14Methods for preparing oxides or hydroxides in general
    • C01B13/32Methods for preparing oxides or hydroxides in general by oxidation or hydrolysis of elements or compounds in the liquid or solid state or in non-aqueous solution, e.g. sol-gel process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
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    • C01P2004/52Particles with a specific particle size distribution highly monodisperse size distribution
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    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of nanoparticles containing at least one metal oxide, wherein the nanoparticles produced in this way are characterized in that they have a narrow particle size distribution and can be prepared in large quantities on an industrial scale.
  • Metal oxides are used for a variety of purposes, such.
  • As a white pigment as a catalyst, as part of antibacterial skin protection creams and as an activator for the rubber vulcanization.
  • cosmetic sunscreens there are finely divided zinc oxide or titanium dioxide as UV-absorbing pigments.
  • Nanoparticles are particles of the order of nanometers. Their size is in the transition region between atomic or monomolecular systems and continuous macroscopic structures. In addition to their usually very large surfaces, nanoparticles are distinguished by special physical and chemical properties, which differ significantly from those of larger particles. For example, nanoparticles often have a lower melting point, absorb light only at shorter wavelengths, and have different mechanical, electrical, and magnetic properties than macroscopic particles of the same material.
  • nanoparticles refers to particles having a mean diameter of from 1 to 500 nm, determined by means of electron microscopy methods.
  • metal oxides for example of zinc oxide
  • wet and dry processes The classical method of burning zinc, which is known as a dry process, eg Gmelin Volume 32, 8th Edition, Supplementary Volume p. 772 et seq., Produces aggregated particles with a broad size distribution.
  • a dry process eg Gmelin Volume 32, 8th Edition, Supplementary Volume p. 772 et seq.
  • dispersions having average particle sizes in the lower nanometer range can not be achieved from such powders because of the shearing forces which can be achieved to a small extent.
  • Particularly finely divided zinc oxide is mainly wet-chemically precipitated by Processes produced.
  • the precipitation in aqueous solution generally yields hydroxide and / or carbonate-containing materials which must be thermally converted to zinc oxide.
  • the thermal aftertreatment has a negative effect on fineness, since the particles are subjected to sintering processes which lead to the formation of micromaster-sized aggregates which can only be broken down incompletely onto the primary particles by grinding.
  • JP 2003-342007 A discloses a method for producing crystalline metal oxides having a particle diameter in the nanometer range.
  • the metal compounds used can be selected from hydrates or other salts of titanium, silicon, tin and zinc.
  • the corresponding precursor compounds are dispersed in a polyol-containing solution and heated by microwave irradiation to a temperature of 140 or 240 0 C.
  • the method disclosed in JP 2003-342007 A is carried out in polyol-containing solvents.
  • a process for producing nanoparticles containing at least one metal oxide in a solvent containing at least one monohydric alcohol is not disclosed in this document.
  • DE 103 24 305 A1 discloses a process for the production of zinc oxide particles, in which a methanolic solution containing zinc acetate and potassium hydroxide is heated to a temperature of 40 to 65 ° C., so that the desired zinc oxide nanoparticles precipitate. The zinc oxide nanoparticles must mature for a period of 5 to 50 minutes according to this document. DE 103 24 305 A1 does not disclose how the tempering is carried out.
  • the prior art does not disclose that in the production of nanoparticulate metal oxides, rapid heating of the solution containing the substrates containing at least one alcohol is important. Furthermore, the prior art documents do not disclose methods of making nanoparticles containing metal oxides using microwaves to heat the reaction solution. The prior art discloses methods in which the precipitated particles ripen for a period of time to ensure complete precipitation.
  • the object of the present invention is to provide a process for producing nanoparticles containing at least one metal oxide having a narrow particle size distribution in large quantities, which is suitable for use on an industrial scale. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method by which nanoparticles containing at least one metal oxide can be produced in consistent quality and a narrow particle size distribution as possible. It is also an object to provide a process in which it is possible to dispense with a ripening of the metal oxide particles.
  • step (B) heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135 0 C by microwave radiation, wherein the nanoparticles containing at least one metal oxide are obtained and
  • step (C) cooling the reaction mixture from step (B) containing the nanoparticles to a temperature T3 of 0 to 50 0 C.
  • the process according to the invention is carried out continuously in a preferred embodiment.
  • the process according to the invention is carried out batchwise in another embodiment. It is also possible according to the invention for individual steps of the method to be carried out continuously and other steps to be discontinuous. The individual steps of the method according to the invention are explained in more detail below:
  • Step (A) of the process of the invention comprises providing a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent containing at least one monohydric alcohol at a temperature T1 of 0 to 50 ° C
  • a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent containing at least one monohydric alcohol at a temperature T1 of 0 to 50 ° C
  • nanoparticles containing at least one metal oxide are prepared.
  • Suitable metal cations which are present in the nanoparticles produced according to the invention are those of metals of the main groups or subgroups of the Periodic Table of the chemical elements, as well as lanthanides and actinides and mixtures thereof.
  • the metals are selected from groups 1 to 15 of the Periodic Table of the LUPAC nomenclature chemical elements, as well as the groups of lanthanides and actinides and mixtures thereof.
  • the metal present in the nanoparticle according to the invention is selected from the groups 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13 and 15 of the Periodic Table of the Elements and the groups of lanthanides and mixtures from that.
  • Examples of most preferred metals are selected from the group consisting of nickel, copper, zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, tin, lead, antimony, bismuth, cerium, and mixtures thereof.
  • Nanoparticles containing one or more metal oxides are preferably produced by the process according to the invention. It is also possible according to the invention that a metal oxide which contains two or more different metals, for example a mixed oxide, is present in the nanoparticle produced.
  • Very particularly preferred metal cations present in the nanoparticles prepared according to the invention are cerium, vanadium, bismuth, zinc, copper, nickel and mixtures thereof, for example a mixture of bismuth and vanadium.
  • step (A) of the process according to the invention a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide is provided.
  • Suitable precursor compounds of the at least one metal oxide are all compounds known to those skilled in the art, which can be converted into the corresponding oxides by a hydrolysis reaction.
  • organic or inorganic salts of the metal oxides present in the nanoparticles according to the invention are used.
  • examples of preferably used inorganic metal salts are the salts of the abovementioned metals with an anion selected from the group consisting of halide, sulfate, nitrate and mixtures thereof.
  • Examples of preferably used organic metal salts are salts of the abovementioned metals with mono- or polyvalent anions of organic carboxylic acids.
  • Suitable anions are derived, for example, from organic monocarboxylic acids such as formic acid (formate), acetic acid (acetate), propionic acid, isobutyric acid, caproic acid, caprylic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid and stearic acid, unsaturated fatty acids such as acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, oleic acid and linolenic acid, saturated polybasic carboxylic acids, such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, adipic acid, suberic acid and ⁇ , ⁇ -dimethylglutaric acid, unsaturated polybasic carboxylic acids, such as maleic acid and fumaric acid, saturated alicyclic acid.
  • organic monocarboxylic acids such as formic acid (formate), acetic acid (acetate), propionic acid, isobutyric acid, caproic acid, caprylic acid, lauric acid, myristic acid
  • cical acids such as cyclohexanecarboxylic acid, aromatic carboxylic acids, such as the aromatic monocarboxylic acids, in particular phenylacetic acid and toluic acid and unsaturated polybasic carboxylic acids, such as phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, pyromellitic and trimellitic acid, compounds having functional groups, such as OH groups, amino groups, nitro groups , Alkoxy groups, sulfonic groups, cyano groups and halogen atoms in the molecule besides a carboxyl group such as trifluoroacetic acid, orthochlorobenzoic acid, orthonitrobenzoic acid, anthranilic acid, para-aminobenzoic acid, para-chlorobenzoic acid, toluic acid, lactic acid, salicylic acid, and polymers containing at least one of the aforementioned unsaturated acids as a polymerizable compound such as acrylic acid homopolymers and acrylic acid / methyl
  • Suitable anions are furthermore alcoholates derived from aliphatic or aromatic alcohols having one or more hydroxyl functions by cleavage of at least one proton of at least one hydroxyl function.
  • alcoholates which can be used according to the invention are methanolate, ethanolate, propoxides such as n-propoxide and isopropoxide, butoxides and others.
  • the metal salts used can optionally contain water of crystallization or alcohol molecules.
  • Suitable alcohols are selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanols such as n-propanol and isopropanol, butanols and mixtures thereof.
  • the amount of water of crystallization optionally present in the metal salts depends on the stoichiometry of the compound used specifically, its crystal structure and / or its pretreatment. For example, it is possible to lower the amount of water of crystallization by heating the compounds.
  • nitrates, alkoxylates or acetates are used as precursor compounds.
  • zinc acetate dihydrate Zn (OOCCH 3) 2 * 2 H 2 O is used as the precursor compound.
  • nanoparticles which contain the oxides of the abovementioned metals are preferably formed in the process according to the invention.
  • Nanoparticles of ZnO are particularly preferably obtained by the process according to the invention.
  • step (A) of the process according to the invention a reaction mixture is provided which contains at least one oxygen source in addition to the said at least one precursor compound.
  • oxygen source is to be understood as meaning a compound which in the process according to the invention at least one precursor compound of the at least one metal oxide can be converted into the corresponding at least one metal oxide.
  • the oxygen sources used in step (A) are selected from compounds selected from the group consisting of water, water of crystallization of the precursor compounds used, bases and mixtures thereof.
  • an OH " -containing compound ie a base
  • metal hydroxides for example alkali and / or alkaline earth metal hydroxides, or ammonium hydroxides containing an ammonium cation Formula NR 4 + , wherein R is independently selected from the group consisting of hydrogen, linear or branched carbon radicals having 1 to 8 carbon atoms, preferably hydrogen, methyl or ethyl
  • an oxygen source is used in the inventive method from water or water of crystallization of the precursor compound used.
  • the solvent used in step (A) of the process according to the invention contains at least one monohydric alcohol.
  • a single alcohol may be present in the reaction mixture, in a further embodiment it is also possible to use a mixture of two or more alcohols.
  • monohydric alcohols which are suitable according to the invention are monohydric aliphatic or aromatic alcohols.
  • Suitable monohydric aliphatic alcohols are those of the general formula (I) R-OH (I) where R is linear or branched, saturated or unsaturated, linear or cyclic alkyl radical having 1 to 12 carbon atoms or mixtures thereof.
  • Preferred aliphatic alcohols are, for example, methanol, ethanol, propanols such as n-propanol, isopropanol, butanols such as n-butanol, isobutanol, pentanols, such as n-pentanol, isopentanols, tert-pentanols, cyclohexanol and mixtures thereof.
  • a most preferred monohydric alcohol is iso-propanol.
  • the solvent used according to the invention may contain further organic solvents, which are preferably selected from the group consisting of amines, for example n-butylamine, tert-butylamine, n-pentylamine, n-hexylamine, n-heptylamine, n-butylamine.
  • one of the abovementioned monohydric alcohols is used as the solvent in step (A) of the process according to the invention, without further solvents being present in a mixture.
  • a solvent a mixture of monohydric alcohol and water can be used.
  • step (A) of the process according to the invention the reaction mixture in a
  • Temperature T1 from 0 to 50 0 C, preferably 15 to 40 0 C, most preferably provided at room temperature.
  • the temperature T1 present in step (A) of the process according to the invention depends on the solubility of the at least one precursor compound used.
  • the temperature T1 should be selected so that the precursor compound is only dissolved and is not completely or partially converted into an oxide. If this is readily soluble in the solvent used, then step (A) is very particularly preferably carried out at room temperature. If the precursor compound is not dissolved at T1, it may be ground prior to step (A) to provide a finely divided suspension in step (A).
  • T1 is chosen to be just below the reaction temperature of the precursor compound in the metal oxide to reduce the residence time in step (B). If the precursor compound used in step (A) of the process according to the invention is sparingly soluble in the solvent at room temperature, step (A) is carried out in a particularly preferred further embodiment at a temperature T1 of 35 to 50 ° C.
  • step (A) of the process according to the invention in a preferred embodiment, the at least one metal salt acting as precursor compound is in one
  • step (A) of the process of the invention the at least one oxygen source in a preferred embodiment in a concentration of 0.01 to 5 mol * r 1 , more preferably 0.05 to 3 mol * 1 " , most preferably 0 , 0.05 to 2.5 mol * I "1 used.
  • concentration data refer to the entire reaction mixture.
  • Step (A) of the process according to the invention can be carried out in any reactor known to those skilled in the art which is suitable for mixing the said components. If the process according to the invention is carried out continuously, in a preferred embodiment the reactor has corresponding devices in order to be able to continuously feed starting compounds and solvents. Suitable reactors are known to the person skilled in the art.
  • the mixing of the reaction mixture in step (A) of the process according to the invention is carried out by devices known to the person skilled in the art.
  • step (A) of the process according to the invention is carried out so that a homogeneous mixture is obtained.
  • homogeneous means that there are no density and / or concentration differences within the mixture.
  • Step (A) the above components mixed together, for example at room temperature, and at a temperature of 35 to 50 0 tempered C.
  • This tempering step within step (A) of the process according to the invention is carried out in particular when the at least one precursor compound of the at least one metal oxide used in step (A) in the solvent used is not completely soluble at room temperature. This tempering is preferably carried out until the at least one precursor compound is completely dissolved in the solvent used. According to the invention, it is of particular advantage if all components are completely dissolved in the reaction mixture provided in step (A) of the process according to the invention.
  • the optionally carried out tempering of the reaction mixture in step (A) of the method according to the invention can be carried out by any of the skilled person known methods, for example by electric heating, heating with a heated medium in a heat exchanger and / or microwaves.
  • the optional tempering in step (A) is effected by microwave radiation.
  • microwaves in the frequency range from 0.2 GHz to 100 GHz can be used for this dielectric radiation.
  • frequencies of 0.915, 2.45 and 5.8 GHz are available, with 2.45 GHz being particularly preferred.
  • Radiation source for dielectric radiation is the magnetron, which can be irradiated simultaneously with several magnetrons. It must be ensured that the field distribution during irradiation is as homogeneous as possible in order to obtain a uniform heating of the reaction mixture.
  • two solutions are provided, one solution comprising at least one runner compound of the at least one metal oxide in a solvent containing at least one monohydric alcohol, and the second solution containing the at least one source of oxygen in the same or a different solvent.
  • Both solutions are heated independently in this preferred embodiment to a temperature of preferably 15 to 40 0 C, more preferably 25 to 40 0 C.
  • suitable methods and devices are known.
  • the hot solutions are then mixed together, forming a solution in a preferred embodiment. If, after combining the two original solutions, a suspension is formed, the mixing in a preferred embodiment should take place as rapidly as possible, in a particularly preferred embodiment the addition takes place within 1 minute, very preferably within 30 seconds, particularly preferably within 10 seconds.
  • Step (B) of the method according to the invention comprises heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135 ° C. by microwave radiation, the nanoparticles containing at least one metal oxide being obtained.
  • step (B) the reaction mixture provided in step (A) is heated to a temperature T2 of 50 to 135 0 C, preferably 60 to 120 0 C, particularly preferably 70 to 100 0 C heated.
  • the process according to the invention is characterized in that the reaction mixture provided in step (A) is heated particularly rapidly to the reaction temperature in step (B), so that nanoparticles are produced which are distinguished by a particularly small and particularly uniform particle size.
  • the heating in step (B) is carried out at a heating rate of at least 10 K * min "1 , more preferably at least 20 K * min " 1 , very particularly preferably at least 50 K * min "1 , particularly preferably at least 100 K. * min "1 .
  • step (B) is preferably carried out such that in a corresponding vessel the reaction mixture according to step (A) is preferably heated to at least 20, 50 or 100 K * min -1 .
  • a suitable pump for example a membrane pump, rotary pump, rotary vane pump, gear pump or HPLC pump
  • a reactor suitable for continuous processes for example a tubular reactor heated to a certain distance by means of a heater to the present in step (B) temperature T2 from 50 to 135 0 C.
  • the tubular reactor in the step (B) of the inventive method is preferably carried out, consists of a material which weakly or not at all interferes with the microwaves, ie with a penetration depth of> 100 cm, preferably> 500 cm, especially preferably> 1000 cm, each at 2.45 GHz.
  • suitable materials are borosilicate glass, quartz, plastics such as polyethylenes, polytetrafluoroethylene, ceramics based on silicate raw materials, on oxidic raw materials, eg Al 2 O 3 or on non-oxidic raw materials.
  • step (B) of the method according to the invention it is generally possible to work with microwaves in the frequency range from 0.2 GHz to 100 GHz.
  • microwaves in the frequency range from 0.2 GHz to 100 GHz.
  • frequencies of 0.915, 2.45 and 5.8 GHz are available, with 2.45 GHz being particularly preferred.
  • Radiation source for dielectric radiation is the magnetron, which can be irradiated simultaneously with several magnetrons. Care must be taken to ensure that the field distribution during irradiation is as homogeneous as possible in order to obtain a uniform heating of the reaction mixture and thus a uniform particle size distribution. Furthermore, it is possible with microwaves to achieve very high heating rates, so that short residence times of the reaction solution in the individual stages of the process according to the invention are possible. As a result, the process according to the invention can be carried out in a particularly cost-effective manner and is particularly suitable for carrying out on an industrial scale. The process according to the invention furthermore makes it possible to obtain metal oxide nanoparticles without the need for a time-consuming and thus cost-intensive ripening step.
  • the process according to the invention can be carried out in all devices known to the person skilled in the art, for example in a tubular reactor.
  • the preferably used tubular reactor can be installed in any spatial orientation so that the reaction mixture flows horizontally, vertically or diagonally.
  • the residence time of the reaction mixture in the reactor is as uniform as possible in order to avoid widening of the particle size distribution and deterioration of the quality features attributable to a uniform residence time. Therefore, in a preferred embodiment, the reactor is designed to avoid partial stagnation of the flow of the reaction mixture and / or disadvantageously nonuniform distribution of residence times.
  • the shape of the tube of the tube reactor preferably used in cross-section is not subject to any restrictions.
  • the cross-section is circular or concentric annular to avoid inconsistent flow, stagnation, turbulence or inconsistent heating of the reaction mixture. It is inventively necessary that the cross-sectional area of the tube reactor preferably used is not excessively large, to ensure that the flowing reaction mixture is heated as uniformly as possible.
  • the diameter of the tube reactor which is preferably used is chosen such that, in combination with the flow rate of the reaction mixture in step (B) of the process according to the invention, a residence time of the reaction mixture in the hot zone results, which ensures that as complete a conversion as possible, for example, at least 90%, preferably at least 95%, takes place.
  • the diameter of the tube reactor is preferably 0.01 cm to 10 cm, particularly preferably 0.1 cm to 5 cm.
  • the residence time of the reaction mixture in the reaction zone in step (B) of the process according to the invention is preferably ⁇ 30 minutes, more preferably ⁇ 10 minutes, most preferably ⁇ 5 minutes.
  • step (B) a static mixer is used in step (B), i.
  • devices known to those skilled in the art, for example baffles are incorporated, which mix the flowing reaction mixture during the flow.
  • step (B) of the process according to the invention the at least one metal oxide in the form of nanoparticles is obtained from the at least one precursor compound used in step (A) and the at least one oxygen source by the thermal energy introduced. These nanoparticles are present after carrying out step (B) as a suspension in the solvent used in step (A).
  • Step (C) of the process according to the invention comprises cooling the reaction mixture from step (B) containing the nanoparticles at a temperature T3 of 0 to 50 ° C.
  • the reaction mixture obtained is then cooled to the abovementioned temperature at step (B) by means known to those skilled in the art for cooling a liquid reaction mixture.
  • a liquid reaction mixture In a preferred embodiment is cooled to a temperature T3 of 10 to 25 0 C, most preferably cooled to room temperature.
  • T3 in step (C) of the process of the invention is generally chosen so that the solvent used in steps (A) and (B) is not frozen.
  • step (C) also in a tubular reactor, for example a heat exchanger. It is also possible according to the invention that several heat exchangers are connected in series.
  • the reaction solution is cooled in order to suppress further, possibly uncontrolled, growth of the nanoparticles.
  • the cooling in step (C) of the process according to the invention is particularly rapid.
  • the cooling in step (C) is preferably carried out at a cooling rate of at least 10 K * min "1, more preferably at least 20 K * min” 1, very particularly preferably at least 50 K * min "1, particularly preferably at least 100 K * min” 1 .
  • the high cooling rates of at least 20, 50 or 100 K * min -1 are preferably achieved by continuously carrying out the process according to the invention. This very fast cooling makes it possible according to the invention to use nanoparticles with a particularly uniform particle size distribution and smaller particle sizes than in a process in which is cooled at a lower cooling rate to obtain.
  • step (C) of the process according to the invention is a set to a temperature T3 of 0 to 50 0 C cooled suspension in step (B) from the runner connecting a pre least and the nanoparticles formed of at least one metal oxide in the step (A) Solvent received.
  • the nanoparticles are functionalized in or after step (B) and / or in or after step (C).
  • the reagents can also be added already in step (A) of the method according to the invention.
  • Suitable reagents are, for example, phosphonic acids or salts / esters of phosphonic acids R-PO (OH) 2 , see WO 2006/124670, sulfonic acids or salts / esters of sulfonic acids R-SO 2 (OH), see DE 10 2005 047 807 A1, Organosilanes, see WO 2005/071002, DE 10 2005 010 320 A1, organic acids, see WO 2004/052327, polyacrylates, see EP 1 630 136 A1, amphiphilic molecules, see DE 10 2004 009 287 A1, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidone, fatty acids, Alkylamines, alkanethiols and others. The content of said documents is hereby expressly incorporated into the present application.
  • step (B) of the process according to the invention can be isolated by all methods known to the person skilled in the art from the suspension obtained in step (C) of the process according to the invention.
  • step (C) is followed by step (D):
  • step (C) of the process according to the invention it is possible for step (C) of the process according to the invention to be followed by a step (D) which comprises concentrating the mixture obtained in step (C).
  • concentration in step (D) can be carried out by methods known to the person skilled in the art, for example filtration, such as nano-, ultra-, microfiltration and / or centrifugation, for example ultracentrifugation.
  • a step (D) according to the invention is then preferably used when the process is carried out in high dilution, which takes place, for example, when small particles are to be obtained.
  • the method according to the invention comprises a step (E):
  • step (E) separating the nanoparticles present in the reaction mixture from step (C) or (D) by filtration, for example nano-, ultra-, microfiltration and / or centrifugation, for example ultracentrifugation.
  • step (E) is followed directly by step (C).
  • step (C) is followed by step (D), followed by step (E).
  • the residue obtained from the filtration or centrifugation in step (E) is washed with a suitable solvent, for example water or organic solvents such as ethanol, isopropanol or mixtures thereof and again filtered or centrifuged. Washing may also be by means of a membrane process such as nano, ultra, micro or crossflow filtration. This washing process can be repeated until a desired degree of purity is reached.
  • a suitable solvent for example water or organic solvents such as ethanol, isopropanol or mixtures thereof. Washing may also be by means of a membrane process such as nano, ultra, micro or crossflow filtration. This washing process can be repeated until a desired degree of purity is reached.
  • the resulting filter cake or Zentrifugierschreibstand can be dried in a conventional manner, for example in a drying oven at temperatures of 40 to 100 0 C, preferably 50 to 70 0 C under atmospheric pressure to constant weight.
  • steps (A), (B), (C) and optionally (D) and (E) are carried out independently of one another in a possible embodiment under an inert protective gas atmosphere.
  • steps (A), (B), (C) and optionally (D) and (E) are not carried out independently of one another in an inert atmosphere, for example in air. All combinations of steps in inert and non-inert atmosphere steps are possible.
  • Suitable inert gases are noble gases, for example helium or argon, nitrogen or mixtures thereof.
  • the method according to the invention is carried out continuously in one embodiment. In another preferred embodiment, the process according to the invention is carried out batchwise.
  • the nanoparticles obtained by the process according to the invention have an average particle size of about 5 to 100 nm, preferably 7 to 50 nm, in each case determined by dynamic light scattering (DLS) (on suspensions) and scanning or transmission electron microscopic investigations (SEM or TEM) (on powders).
  • DLS dynamic light scattering
  • SEM scanning or transmission electron microscopic investigations
  • the nanoparticles produced by the process according to the invention are characterized by a particularly narrow particle size distribution.
  • at least 90% of the resulting particle sizes are in the size range described by the average particle size ⁇ 15% of this average particle size.
  • FIG. 1 shows the X-ray diffraction of a zinc oxide powder obtained according to the invention.
  • the X-ray diffraction of the obtained powder shows exclusively the diffraction reflections of zinc oxide (Fig. 1).
  • the number of reflections is plotted on the x-axis.
  • 2-theta is plotted on the y-axis.
  • the step time is 3.6 s.
  • the measurement is carried out at room temperature.
  • a Cu anode is used.
  • the X-ray recovery corresponds to that of hexagonal ZuO.
  • an average crystallite size of about 8 nm can be calculated.

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Abstract

The present invention relates to a process for preparing nanoparticles comprising at least one metal oxide, said process comprising the following steps: (A) providing a reaction mixture comprising at least one precursor compound of said at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent which comprises at least one monohydric alcohol, at a temperature T1 of 0 to 50°C, (B) heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135°C by microwave radiation, giving the nanoparticles comprising at least one metal oxide, and (C) cooling the reaction mixture from step (B), comprising the nanoparticles, to a temperature T3 of 0 to 50°C.

Description

Mikrowellen-induziertes Verfahren zur Herstellung von nanopartikulären Metalloxiden Microwave-induced process for the production of nanoparticulate metal oxides
Beschreibung Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Nanopar- tikeln enthaltend wenigstens ein Metalloxid, wobei sich die so hergestellten Nanoparti- kel dadurch auszeichnen, dass sie eine enge Teilchengrößenverteilung aufweisen und in großen Mengen im industriellen Maßstab hergestellt werden können.DESCRIPTION The present invention relates to a process for the preparation of nanoparticles containing at least one metal oxide, wherein the nanoparticles produced in this way are characterized in that they have a narrow particle size distribution and can be prepared in large quantities on an industrial scale.
Metalloxide finden für vielfältige Zwecke Verwendung, so z. B. als Weißpigment, als Katalysator, als Bestandteil antibakterieller Hautschutzsalben und als Aktivator für die Kautschukvulkanisation. In kosmetischen Sonnenschutzmitteln findet man feinteiliges Zinkoxid oder Titandioxid als UV-absorbierende Pigmente. Als Nanopartikel werden Teilchen in der Größenordnung von Nanometern bezeichnet. Sie liegen mit ihrer Größe im Übergangsbereich zwischen atomaren bzw. monomolekularen Systemen und kontinuierlichen makroskopischen Strukturen. Neben ihren meist sehr großen Oberflächen zeichnen sich Nanopartikel durch besondere physikalische und chemische Eigenschaften aus, welche sich deutlich von denen größerer TeN- chen unterscheiden. So haben Nanopartikel oft einen tieferen Schmelzpunkt, absorbieren Licht erst bei kürzeren Wellenlängen und haben andere mechanische, elektrische und magnetische Eigenschaften als makroskopische Partikel desselben Materials. Durch Verwendung von Nanopartikeln als Bausteine lassen sich viele dieser besonderen Eigenschaften auch für makroskopische Materialien nutzen (Winn- acker/Küchler, Chemische Technik: Prozesse und Produkte, (Hrsg.: R. Dittmayer, W. Keim, G. Kreysa, A. Oberholz), Band 2: Neue Technologien, Kapitel 9, Wiley-VCH Verlag 2004).Metal oxides are used for a variety of purposes, such. As a white pigment, as a catalyst, as part of antibacterial skin protection creams and as an activator for the rubber vulcanization. In cosmetic sunscreens there are finely divided zinc oxide or titanium dioxide as UV-absorbing pigments. Nanoparticles are particles of the order of nanometers. Their size is in the transition region between atomic or monomolecular systems and continuous macroscopic structures. In addition to their usually very large surfaces, nanoparticles are distinguished by special physical and chemical properties, which differ significantly from those of larger particles. For example, nanoparticles often have a lower melting point, absorb light only at shorter wavelengths, and have different mechanical, electrical, and magnetic properties than macroscopic particles of the same material. By using nanoparticles as building blocks, many of these special properties can also be used for macroscopic materials (Winnacker / Küchler, Chemische Technik: Processes and Products, (Ed .: R. Dittmayer, W. Keim, G. Kreysa, A. Oberholz ), Volume 2: New Technologies, Chapter 9, Wiley-VCH Verlag 2004).
Mit dem Begriff „Nanopartikel" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Partikel mit einem mittleren Durchmesser von 1 bis 500 nm, bestimmt mittels elektronenmikroskopischer Methoden, bezeichnet.In the context of the present invention, the term "nanoparticles" refers to particles having a mean diameter of from 1 to 500 nm, determined by means of electron microscopy methods.
Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln enthaltend wenigstens ein Metalloxid sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.Methods for producing nanoparticles comprising at least one metal oxide are already known from the prior art.
Bekannt ist die Herstellung von Metalloxiden, beispielsweise von Zinkoxid, durch nasse und trockene Verfahren. Die klassische Methode der Verbrennung von Zink, die als trockenes Verfahren bekannt ist, z.B. Gmelin Band 32, 8. Auflage, Ergänzungsband S. 772 ff., erzeugt aggregierte Partikel mit einer breiten Größenverteilung. Zwar ist es grundsätzlich möglich, durch Mahlverfahren Teilchengrößen im Submikrometerbereich herzustellen, doch aufgrund der zu geringen erzielbaren Scherkräfte sind aus solchen Pulvern Dispersionen mit mittleren Teilchengrößen im unteren Nanometerbereich nicht erzielbar. Besonders feinteiliges Zinkoxid wird vor allem nasschemisch durch Fällungs- prozesse hergestellt. Die Fällung in wässriger Lösung liefert in der Regel hydroxid- und/oder carbonathaltige Materialien, die thermisch zu Zinkoxid umgesetzt werden müssen. Die thermische Nachbehandlung wirkt sich dabei auf die Feinteiligkeit negativ aus, da die Partikel dabei Sinterprozessen unterworfen sind, die zur Bildung mikrome- tergroßer Aggregate führen, die durch Mahlung nur unvollständig auf die Primärpartikel herunter gebrochen werden können.The production of metal oxides, for example of zinc oxide, by wet and dry processes is known. The classical method of burning zinc, which is known as a dry process, eg Gmelin Volume 32, 8th Edition, Supplementary Volume p. 772 et seq., Produces aggregated particles with a broad size distribution. Although it is fundamentally possible to produce particle sizes in the submicrometer range by means of grinding methods, dispersions having average particle sizes in the lower nanometer range can not be achieved from such powders because of the shearing forces which can be achieved to a small extent. Particularly finely divided zinc oxide is mainly wet-chemically precipitated by Processes produced. The precipitation in aqueous solution generally yields hydroxide and / or carbonate-containing materials which must be thermally converted to zinc oxide. The thermal aftertreatment has a negative effect on fineness, since the particles are subjected to sintering processes which lead to the formation of micromaster-sized aggregates which can only be broken down incompletely onto the primary particles by grinding.
JP 2003-342007 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung von kristallinen Metalloxiden mit einem Partikeldurchmesser im Nanometerbereich. Die eingesetzten Metallverbin- düngen können ausgewählt sein aus Hydraten oder anderen Salzen von Titan, Silizium, Zinn und Zink. Dazu werden die entsprechenden Vorläuferverbindungen in einer Polyol-haltigen Lösung dispergiert und durch Mikrowellen-Bestrahlung auf eine Temperatur von 140 bzw. 240 0C erhitzt. Das in JP 2003-342007 A offenbarte Verfahren wird in Polyol-haltigen Lösungsmitteln durchgeführt. Ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln enthaltend wenigstens ein Metalloxid in einem Lösungsmittel, das wenigstens einen einwertigen Alkohol enthält, wird in dieser Schrift nicht offenbart.JP 2003-342007 A discloses a method for producing crystalline metal oxides having a particle diameter in the nanometer range. The metal compounds used can be selected from hydrates or other salts of titanium, silicon, tin and zinc. For this purpose, the corresponding precursor compounds are dispersed in a polyol-containing solution and heated by microwave irradiation to a temperature of 140 or 240 0 C. The method disclosed in JP 2003-342007 A is carried out in polyol-containing solvents. A process for producing nanoparticles containing at least one metal oxide in a solvent containing at least one monohydric alcohol is not disclosed in this document.
DE 103 24 305 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Partikeln, bei dem eine methanolische Lösung enthaltend Zinkacetat und Kaliumhydroxid auf eine Temperatur von 40 bis 65 0C temperiert wird, so dass die gewünschten Zinkoxidnano- partikel ausfallen. Die Zinkoxidnanopartikel müssen gemäß diesem Dokument für einen Zeitraum von 5 bis 50 Minuten reifen. DE 103 24 305 A1 offenbart nicht, wie das Temperieren durchgeführt wird.DE 103 24 305 A1 discloses a process for the production of zinc oxide particles, in which a methanolic solution containing zinc acetate and potassium hydroxide is heated to a temperature of 40 to 65 ° C., so that the desired zinc oxide nanoparticles precipitate. The zinc oxide nanoparticles must mature for a period of 5 to 50 minutes according to this document. DE 103 24 305 A1 does not disclose how the tempering is carried out.
In L. Spanhel, M. A. Anderson, J. Am. Chem. Soc. 1991 , 113, 2826-2833 wird ein Verfahren zur Herstellung von ZnO-Wurtzit-Clustern offenbart. Dazu werden eine Lösung von Zink-Acetat in Ethanol und eine Lösung von LiOH * H2O in Ethanol zusammengegeben und für 10 min bei 0 0C gerührt, wobei ZnO-Kolloide ausfallen. EP 1 157 064 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung nanopartikulärer redisper- gierbarer Zinkoxidgele durch basische Hydrolyse einer geeigneten Zinkverbindung in einem Alkohol-Wasser-Gemisch. Gemäß diesem Dokument müssen die Zinkoxidteilchen für einen Zeitraum von über einer Stunde reifen, um ein vollständiges Ausflocken des ZnO zu gewährleisten.In Span Span, MA Anderson, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2826-2833 discloses a method for producing ZnO wurtzite clusters. For this purpose, a solution of zinc acetate in ethanol and a solution of LiOH * H 2 O are combined in ethanol and stirred for 10 min at 0 0 C, wherein ZnO colloids precipitate. EP 1 157 064 B1 discloses a process for preparing nanoparticulate redispersible zinc oxide gels by basic hydrolysis of a suitable zinc compound in an alcohol-water mixture. According to this document, the zinc oxide particles must ripen for over one hour to ensure complete flocculation of the ZnO.
Dieser Stand der Technik offenbart nicht, dass bei der Herstellung von nanopartikulä- ren Metalloxiden ein schnelles Aufheizen der die Substrate enthaltenden Lösung, die wenigstens einen Alkohol enthält, wichtig ist. Des Weiteren offenbaren die Dokumente des Standes der Technik keine Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln enthal- tend Metalloxide unter der Verwendung von Mikrowellen zum Aufheizen der Reaktionslösung. Im Stand der Technik werden Verfahren offenbart, in denen die ausgefällten Partikel für einen gewissen Zeitraum reifen, um eine vollständige Ausfällung zu gewährleisten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Nano- partikeln enthaltend wenigstens ein Metalloxid mit enger Teilchengrößenverteilung in großen Mengen bereitzustellen, welches geeignet ist, im industriellen Maßstab ver- wendet zu werden. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das Nanopartikel enthaltend wenigstens ein Metalloxid in gleich bleibender Qualität und einer möglicht engen Teilchengrößenverteilung hergestellt werden können. Aufgabe ist es auch, ein Verfahren bereit zu stellen, in dem auf ein Reifen der Metalloxidteilchen verzichtet werden kann.This prior art does not disclose that in the production of nanoparticulate metal oxides, rapid heating of the solution containing the substrates containing at least one alcohol is important. Furthermore, the prior art documents do not disclose methods of making nanoparticles containing metal oxides using microwaves to heat the reaction solution. The prior art discloses methods in which the precipitated particles ripen for a period of time to ensure complete precipitation. The object of the present invention is to provide a process for producing nanoparticles containing at least one metal oxide having a narrow particle size distribution in large quantities, which is suitable for use on an industrial scale. Furthermore, it is an object of the present invention to provide a method by which nanoparticles containing at least one metal oxide can be produced in consistent quality and a narrow particle size distribution as possible. It is also an object to provide a process in which it is possible to dispense with a ripening of the metal oxide particles.
Diese Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln enthaltend wenigstens ein Metalloxid, umfassend die Schritte:These objects are achieved by a method for producing nanoparticles containing at least one metal oxide, comprising the steps:
(A) Bereitstellen einer Reaktionsmischung enthaltend wenigstes eine Vorläuferver- bindung des wenigstens einen Metalloxids und wenigstens eine Sauerstoffquelle in einem Lösungsmittel, welches wenigstens einen einwertigen Alkohol enthält, bei einer Temperatur T1 von 0 bis 50 0C,(A) providing a reaction mixture comprising at least one precursor compound of the at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent which contains at least one monohydric alcohol, at a temperature T1 of 0 to 50 ° C.,
(B) Aufheizen der in Schritt (A) bereitgestellten Reaktionsmischung auf eine Temperatur T2 von 50 bis 135 0C durch Mikrowellen-Strahlung, wobei die Nanopartikel enthaltend wenigstens ein Metalloxid erhalten werden und(B) heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135 0 C by microwave radiation, wherein the nanoparticles containing at least one metal oxide are obtained and
(C) Abkühlen der Reaktionsmischung aus Schritt (B) enthaltend die Nanopartikel auf eine Temperatur T3 von 0 bis 50 0C.(C) cooling the reaction mixture from step (B) containing the nanoparticles to a temperature T3 of 0 to 50 0 C.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer bevorzugten Ausführungsform kontinu- ierlich durchgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer anderen Ausführungsform diskontinuierlich durchgeführt. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass einzelne Schritte des Verfahrens kontinuierlich und andere Schritte diskontinuierlich durchgeführt werden. Die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden näher erläutert:The process according to the invention is carried out continuously in a preferred embodiment. The process according to the invention is carried out batchwise in another embodiment. It is also possible according to the invention for individual steps of the method to be carried out continuously and other steps to be discontinuous. The individual steps of the method according to the invention are explained in more detail below:
Schritt (A): Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Bereitstellen einer Reaktionsmischung enthaltend wenigstens eine Vorläuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids und wenigstens eine Sauerstoffquelle in einem Lösungsmittel, welches wenigstens einen einwertigen Alkohol enthält, bei einer Temperatur T1 von 0 bis 50 0C. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Nanopartikel enthaltend wenigstens ein Metalloxid hergestellt.Step (A): Step (A) of the process of the invention comprises providing a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent containing at least one monohydric alcohol at a temperature T1 of 0 to 50 ° C In the process according to the invention, nanoparticles containing at least one metal oxide are prepared.
Geeignete Metallkationen, welche in den erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikeln vorliegen, sind die von Metallen der Haupt- oder Nebengruppen des Periodensystems der chemischen Elemente, sowie Lanthanoide und Actinoide und Mischungen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Metalle ausgewählt aus den Gruppen 1 bis 15 des Periodensystems der chemischen Elemente nach lUPAC-Nomenklatur, sowie der Gruppen der Lanthanoide und Actinoide und Mischungen davon. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das in dem erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikel vorliegende Metall ausgewählt aus den Gruppen 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13 und 15 des Periodensystems der Elemente und der Gruppen der Lanthanoide und Mischungen davon. Beispiele für ganz besonders bevorzugte Metalle sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Zink, Cadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Zinn, Blei, Antimon, Bismut, Cer und Mischungen davon.Suitable metal cations which are present in the nanoparticles produced according to the invention are those of metals of the main groups or subgroups of the Periodic Table of the chemical elements, as well as lanthanides and actinides and mixtures thereof. In a preferred embodiment, the metals are selected from groups 1 to 15 of the Periodic Table of the LUPAC nomenclature chemical elements, as well as the groups of lanthanides and actinides and mixtures thereof. In a particularly preferred embodiment, the metal present in the nanoparticle according to the invention is selected from the groups 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13 and 15 of the Periodic Table of the Elements and the groups of lanthanides and mixtures from that. Examples of most preferred metals are selected from the group consisting of nickel, copper, zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, tin, lead, antimony, bismuth, cerium, and mixtures thereof.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich Nanopartikel herzustellen, die ein oder mehrere Metalloxid(e) enthalten. Bevorzugt werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Nanopartikel hergestellt, die ein oder zwei verschiedene Metalloxide enthalten. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass in dem hergestellten Nanopartikel ein Metalloxid vorliegt, welches zwei oder mehr verschiedene Metalle enthält, beispielsweise ein Mischoxid.With the method according to the invention it is possible to produce nanoparticles containing one or more metal oxides. Nanoparticles containing one or two different metal oxides are preferably produced by the process according to the invention. It is also possible according to the invention that a metal oxide which contains two or more different metals, for example a mixed oxide, is present in the nanoparticle produced.
Ganz besonders bevorzugte Metallkationen, die in den erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikeln vorliegen, sind Cer, Vanadium, Bismut, Zink, Kupfer, Nickel und Mischungen davon, beispielsweise eine Mischung von Bismut und Vanadium.Very particularly preferred metal cations present in the nanoparticles prepared according to the invention are cerium, vanadium, bismuth, zinc, copper, nickel and mixtures thereof, for example a mixture of bismuth and vanadium.
In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Reaktionsmischung enthaltend wenigstens eine Vorläuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids bereitge- stellt.In step (A) of the process according to the invention, a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide is provided.
Geeignete Vorläuferverbindungen des wenigstens einen Metalloxids sind alle dem Fachmann bekannten Verbindungen, die durch eine Hydrolyse-Reaktion in die entsprechenden Oxide überführt werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform werden organische oder anorganische Salze der in den erfindungsgemäß hergestellten Nanopartikeln vorliegenden Metalloxide eingesetzt. Beispiele für bevorzugt eingesetzte anorganische Metallsalze sind die Salze der oben genannten Metalle mit einem Anion ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Halogenid, Sulfat, Nitrat und Mischungen davon. Beispiele für bevorzugt eingesetzte organische Metallsalze sind Salze der oben genannten Metalle mit ein- oder mehrwertigen Anionen organischer Carbonsäuren.Suitable precursor compounds of the at least one metal oxide are all compounds known to those skilled in the art, which can be converted into the corresponding oxides by a hydrolysis reaction. In a preferred embodiment, organic or inorganic salts of the metal oxides present in the nanoparticles according to the invention are used. Examples of preferably used inorganic metal salts are the salts of the abovementioned metals with an anion selected from the group consisting of halide, sulfate, nitrate and mixtures thereof. Examples of preferably used organic metal salts are salts of the abovementioned metals with mono- or polyvalent anions of organic carboxylic acids.
Geeignete Anionen stammen beispielsweise von organischen Monocarbonsäuren, wie Ameisensäure (Formiat), Essigsäure (Acetat), Propionsäure, Isobuttersäure, Capron- säure, Caprylsäure, Laurinsäure, Myristinsäure, Palmitinsäure und Stearinsäure, unge- sättigten Fettsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Oleinsäure und Linolensäure, gesättigten polybasischen Carbonsäuren, wie Oxalsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Suberinsäure und ß,ß-Dimethylglutarsäure, ungesättigten polybasischen Carbonsäuren, wie Maleinsäure und Fumarsäure, gesättigten alicy- clischen Säuren, wie Cyclohexancarbonsäure, aromatischen Carbonsäuren, wie den aromatischen Monocarbonsäuren, insbesondere Phenylessigsäure und Toluolsäure und ungesättigten polybasischen Carbonsäuren, wie Phthalsäure, Isophthalsäure, Terephthalsäure, Pyromellit- und Trimellitsäure, Verbindungen mit funktionellen Grup- pen, wie OH-Gruppen, Aminogruppen, Nitrogruppen, Alkoxygruppen, Sulfongruppen, Cyanogruppen und Halogenatomen im Molekül neben einer Carboxylgruppe, wie Trifluoressigsäure, Orthochlorbenzoesäure, Orthonitrobenzoesäure, Anthranilsäure, para-Aminobenzoesäure, para-Chloro-benzoesäure, Toluolsäure, Milchsäure, Salicyl- säure, sowie Polymere enthaltend mindestens eine der vorgenannten ungesättigten Säuren als polymerisierbare Verbindung, wie Acrylsäurehomopolymere und Acryl- säure/Methylmethacrylatcopolymere.Suitable anions are derived, for example, from organic monocarboxylic acids such as formic acid (formate), acetic acid (acetate), propionic acid, isobutyric acid, caproic acid, caprylic acid, lauric acid, myristic acid, palmitic acid and stearic acid, unsaturated fatty acids such as acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, oleic acid and linolenic acid, saturated polybasic carboxylic acids, such as oxalic acid, malonic acid, succinic acid, adipic acid, suberic acid and β, β-dimethylglutaric acid, unsaturated polybasic carboxylic acids, such as maleic acid and fumaric acid, saturated alicyclic acid. cical acids, such as cyclohexanecarboxylic acid, aromatic carboxylic acids, such as the aromatic monocarboxylic acids, in particular phenylacetic acid and toluic acid and unsaturated polybasic carboxylic acids, such as phthalic acid, isophthalic acid, terephthalic acid, pyromellitic and trimellitic acid, compounds having functional groups, such as OH groups, amino groups, nitro groups , Alkoxy groups, sulfonic groups, cyano groups and halogen atoms in the molecule besides a carboxyl group such as trifluoroacetic acid, orthochlorobenzoic acid, orthonitrobenzoic acid, anthranilic acid, para-aminobenzoic acid, para-chlorobenzoic acid, toluic acid, lactic acid, salicylic acid, and polymers containing at least one of the aforementioned unsaturated acids as a polymerizable compound such as acrylic acid homopolymers and acrylic acid / methyl methacrylate copolymers.
Geeignete Anionen sind des Weiteren Alkoholate, die von aliphatischen oder aromatischen Alkoholen mit einer oder mehreren Hydroxyfunktionen durch Abspaltung we- nigstens eines Protons wenigstens einer Hydroxyfunktion stammen. Beispiele für erfindungsgemäß einsetzbare Alkoholate sind Methanolat, Ethanolat, Propoxide wie n-Propoxid und iso-Propoxid, Butoxide und andere.Suitable anions are furthermore alcoholates derived from aliphatic or aromatic alcohols having one or more hydroxyl functions by cleavage of at least one proton of at least one hydroxyl function. Examples of alcoholates which can be used according to the invention are methanolate, ethanolate, propoxides such as n-propoxide and isopropoxide, butoxides and others.
Die eingesetzten Metallsalze können optional Kristallwasser oder Alkoholmoleküle ent- halten. Geeignete Alkohole sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanole wie n-Propanol und iso-Propanol, Butanole und Mischungen davon. Die Menge an gegebenenfalls in den Metallsalzen vorliegendem Kristallwasser richtet sich nach der Stöchiometrie der spezifisch eingesetzten Verbindung, ihrer Kristallstruktur und/oder ihrer Vorbehandlung. Es ist beispielsweise möglich, durch Er- hitzen der Verbindungen die Menge an vorhandenem Kristallwasser zu senken.The metal salts used can optionally contain water of crystallization or alcohol molecules. Suitable alcohols are selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanols such as n-propanol and isopropanol, butanols and mixtures thereof. The amount of water of crystallization optionally present in the metal salts depends on the stoichiometry of the compound used specifically, its crystal structure and / or its pretreatment. For example, it is possible to lower the amount of water of crystallization by heating the compounds.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform werden Nitrate, Alkoxylate oder Acetate als Vorläuferverbindungen eingesetzt. In einer insbesondere bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Zinkacetat Dihydrat Zn(OOCCH3)2 * 2 H2O als Vorläuferverbindung eingesetzt.In a very particularly preferred embodiment, nitrates, alkoxylates or acetates are used as precursor compounds. In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, zinc acetate dihydrate Zn (OOCCH 3) 2 * 2 H 2 O is used as the precursor compound.
Somit werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt Nanopartikel gebildet, die die Oxide der oben genannten Metalle enthalten. Besonders bevorzugt werden durch das erfindungsgemäße Verfahren Nanopartikel aus ZnO erhalten.Thus, nanoparticles which contain the oxides of the abovementioned metals are preferably formed in the process according to the invention. Nanoparticles of ZnO are particularly preferably obtained by the process according to the invention.
In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Reaktionsmischung bereitgestellt, die neben der genannten wenigstens einen Vorläuferverbindung wenigstens eine Sauerstoffquelle enthält.In step (A) of the process according to the invention, a reaction mixture is provided which contains at least one oxygen source in addition to the said at least one precursor compound.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter dem Begriff „Sauerstoffquelle" eine Verbindung zu verstehen, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren die wenigs- tens eine Vorläuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids in das entsprechende wenigstens eine Metalloxid überführen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die in Schritt (A) eingesetzten Sauerstoffquellen ausgewählt aus Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Kristallwasser der eingesetzten Vorläuferverbindungen, Basen und Mischungen davon.In the context of the present invention, the term "oxygen source" is to be understood as meaning a compound which in the process according to the invention at least one precursor compound of the at least one metal oxide can be converted into the corresponding at least one metal oxide. In a preferred embodiment, the oxygen sources used in step (A) are selected from compounds selected from the group consisting of water, water of crystallization of the precursor compounds used, bases and mixtures thereof.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (A) der Reaktionsmischung eine OH"-enthaltende Verbindung, d.h. eine Base, zugesetzt. Beispiele für solche Verbindungen sind Metallhydroxide, beispielsweise Alkali- und/oder Erdalkali- metallhydroxide, oder Ammoniumhydroxide, enthaltend ein Ammoniumkation der Formel NR4 +, wobei R unabhängig von einander ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, linearen oder verzweigten Kohlenstoffresten mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, bevorzugt Wasserstoff, Methyl oder Ethyl. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Sauerstoffquelle eingesetzt, ausgewählt aus Wasser oder Kristallwasser der eingesetzten Vorläuferverbindung.In a further preferred embodiment, an OH " -containing compound, ie a base, is added to the reaction mixture in step (A) Examples of such compounds are metal hydroxides, for example alkali and / or alkaline earth metal hydroxides, or ammonium hydroxides containing an ammonium cation Formula NR 4 + , wherein R is independently selected from the group consisting of hydrogen, linear or branched carbon radicals having 1 to 8 carbon atoms, preferably hydrogen, methyl or ethyl In a preferred embodiment, an oxygen source is used in the inventive method from water or water of crystallization of the precursor compound used.
Das in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Lösungsmittel ent- hält wenigstens einen einwertigen Alkohol. Erfindungsgemäß kann in der Reaktionsmischung ein einzelner Alkohol vorliegen, in einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Mischung von zwei oder mehreren Alkoholen eingesetzt werden. In dem erfindungsgemäßen Verfahren können im Allgemeinen alle einwertigen Alkohole eingesetzt werden, welche unter den gegebenen Reaktionsbedingungen flüssig sind. Beispiele für erfindungsgemäß geeignete einwertige Alkohole sind einwertige aliphatische oder aromatische Alkohole.The solvent used in step (A) of the process according to the invention contains at least one monohydric alcohol. According to the invention, a single alcohol may be present in the reaction mixture, in a further embodiment it is also possible to use a mixture of two or more alcohols. In the process according to the invention, it is generally possible to use all monohydric alcohols which are liquid under the given reaction conditions. Examples of monohydric alcohols which are suitable according to the invention are monohydric aliphatic or aromatic alcohols.
Geeignete einwertige aliphatische Alkohole sind solche der allgemeinen Formel (I) R-OH (I) mit R gleich linearer oder verzweigter, gesättigter oder ungesättigter, linearer oder cyclischer Alkylrest mit 1 bis 12 Kohlenstoffatomen oder Mischungen davon. Bevorzugte aliphatische Alkohole sind beispielsweise Methanol, Ethanol, Propanole wie n-Propanol, iso-Propanol, Butanole wie n-Butanol, iso-Butanol, Pentanole, wie n-Pentanol, iso-Pentanole, tert-Pentanole, Cyclohexanol und Mischungen davon. Ein ganz besonders bevorzugter einwertiger Alkohol ist iso-Propanol.Suitable monohydric aliphatic alcohols are those of the general formula (I) R-OH (I) where R is linear or branched, saturated or unsaturated, linear or cyclic alkyl radical having 1 to 12 carbon atoms or mixtures thereof. Preferred aliphatic alcohols are, for example, methanol, ethanol, propanols such as n-propanol, isopropanol, butanols such as n-butanol, isobutanol, pentanols, such as n-pentanol, isopentanols, tert-pentanols, cyclohexanol and mixtures thereof. A most preferred monohydric alcohol is iso-propanol.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Lösungsmittel kann in einer weiteren Ausführungs- form weitere organische Lösungsmittel enthalten, welche bevorzugt ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aminen, z.B. n-Butylamin, tert-Butylamin, n- Pentylamin, n-Hexylamin, n-Heptylamin, n-Octylamin, n-Dodecylamin, Benzylamin, Pyridin, 4-Dimethylaminopiridyn, Thiolen, z.B. 1-Butanthiol, tert-Butanthiol, 1- Pentanthiol, 1-Hexanthiol, 1-Heptanthiol, 1-Octanthiol, tert-Octanthiol, 1-Dodekanthiol, Benzylthiol, Phosphonsäuren, z.B. n-Butylphosphonsäure, tert-Butylphosphonsäure, n-Pentylphosphonsäure, n-Hexylphosphonsäure, n-Heptyl- phosphonsäure, n-Octylphosphonsäure, n-Decylphosphonsäure, n-Dodecyl- phosphonsäure, 3-Aminopropylphosphonsäure, 4-Aminobutylphosphonsäure, Phe- nylphosphonsäure, p-Tolylphosphonsäure, 4-Methoxyphenylphosphonsäure, Polymeren, z.B. Polyethylenglykole, Polyvinylpyrrolidone, Polyacrylate, Polyvinylether, Polyvi- nylacetate.In a further embodiment, the solvent used according to the invention may contain further organic solvents, which are preferably selected from the group consisting of amines, for example n-butylamine, tert-butylamine, n-pentylamine, n-hexylamine, n-heptylamine, n-butylamine. Octylamine, n-dodecylamine, benzylamine, pyridine, 4-dimethylaminopiridyne, thiols, eg 1-butanethiol, tert-butanethiol, 1-pentanethiol, 1-hexanethiol, 1-heptanethiol, 1-octanethiol, tert-octanethiol, 1-Dodecanethiol, benzylthiol, phosphonic acids, for example n-butylphosphonic acid, tert-butylphosphonic acid, n-pentylphosphonic acid, n-hexylphosphonic acid, n-heptylphosphonic acid, n-octylphosphonic acid, n-decylphosphonic acid, n-dodecylphosphonic acid, 3-aminopropylphosphonic acid, 4 -Aminobutylphosphonic acid, phenylphosphonic acid, p-tolylphosphonic acid, 4-methoxyphenylphosphonic acid, polymers, for example polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidones, polyacrylates, polyvinyl ethers, polyvinyl acetates.
Bevorzugt wird als Lösungsmittel in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens einer der oben genannten einwertigen Alkohole eingesetzt, ohne dass weitere Lösungsmittel in Mischung vorliegen.Preferably, one of the abovementioned monohydric alcohols is used as the solvent in step (A) of the process according to the invention, without further solvents being present in a mixture.
Als Lösungsmittel kann auch eine Mischung aus einwertigem Alkohol und Wasser eingesetzt werden.As a solvent, a mixture of monohydric alcohol and water can be used.
In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktionsmischung bei einerIn step (A) of the process according to the invention, the reaction mixture in a
Temperatur T1 von 0 bis 50 0C, bevorzugt 15 bis 40 0C, ganz besonders bevorzugt bei Raumtemperatur bereitgestellt. Die in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegende Temperatur T1 ist abhängig von der Löslichkeit der eingesetzten wenigstens einen Vorläuferverbindung. Bevorzugt soll die Temperatur T1 so ausgewählt werden, dass die Vorläuferverbindung nur aufgelöst wird und nicht vollständig oder teilweise in ein Oxid überführt wird. Ist diese in dem eingesetzten Lösungsmittel leicht löslich, so wird Schritt (A) ganz beson- ders bevorzugt bei Raumtemperatur durchgeführt. Wird die Vorläuferverbindung bei T1 nicht gelöst, so kann sie vor dem Schritt (A) gemahlen werden, um eine feinteilige Suspension in Schritt (A) bereitzustellen. In bevorzugter Form ist T1 knapp unter der Umsetzungstemperatur der Vorläuferverbindung in das Metalloxid gewählt, um die Verweilzeit in Schritt (B) zu reduzieren. Ist die in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte Vorläuferverbindung in dem Lösungsmittel bei Raumtemperatur schwer löslich, so wird Schritt (A) in einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform bei einer Temperatur T1 von 35 bis 50 0C durchgeführt.Temperature T1 from 0 to 50 0 C, preferably 15 to 40 0 C, most preferably provided at room temperature. The temperature T1 present in step (A) of the process according to the invention depends on the solubility of the at least one precursor compound used. Preferably, the temperature T1 should be selected so that the precursor compound is only dissolved and is not completely or partially converted into an oxide. If this is readily soluble in the solvent used, then step (A) is very particularly preferably carried out at room temperature. If the precursor compound is not dissolved at T1, it may be ground prior to step (A) to provide a finely divided suspension in step (A). In preferred form, T1 is chosen to be just below the reaction temperature of the precursor compound in the metal oxide to reduce the residence time in step (B). If the precursor compound used in step (A) of the process according to the invention is sparingly soluble in the solvent at room temperature, step (A) is carried out in a particularly preferred further embodiment at a temperature T1 of 35 to 50 ° C.
In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einer bevorzugten Ausfüh- rungsform das als Vorläuferverbindung fungierende wenigstens eine Metallsalz in einerIn step (A) of the process according to the invention, in a preferred embodiment, the at least one metal salt acting as precursor compound is in one
KKoonnzzeennitration von 0,01 bis 1 mol * I"1, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,5 mol * I"1, ein- gesetzt.Co-nitrate titration of 0.01 to 1 mol * 1 " , more preferably 0.05 to 0.5 mol * l " 1 , used.
In Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die wenigstens eine Sauerstoff- quelle in einer bevorzugten Ausführungsform in einer Konzentration von 0,01 bis 5 mol * r1, besonders bevorzugt 0,05 bis 3 mol * I"1, ganz besonders bevorzugt 0,05 bis 2,5 mol * I"1 eingesetzt. Diese Konzentrationsangaben beziehen sich jeweils auf die gesamte Reaktionsmischung. Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in jedem dem Fachmann bekannten Reaktor durchgeführt werden, der dazu geeignet ist, die genannten Komponenten zu vermischen. Wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchgeführt, besitzt der Reaktor in einer bevorzugten Ausführungsform entsprechende Vorrichtungen, um kontinuierlich Ausgangsverbindungen und Lösungsmittel nachführen zu können. Geeignete Reaktoren sind dem Fachmann bekannt. Die Durchmischung der Reaktionsmischung in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt durch dem Fachmann bekannte Vorrichtungen.In step (A) of the process of the invention, the at least one oxygen source in a preferred embodiment in a concentration of 0.01 to 5 mol * r 1 , more preferably 0.05 to 3 mol * 1 " , most preferably 0 , 0.05 to 2.5 mol * I "1 used. These concentration data refer to the entire reaction mixture. Step (A) of the process according to the invention can be carried out in any reactor known to those skilled in the art which is suitable for mixing the said components. If the process according to the invention is carried out continuously, in a preferred embodiment the reactor has corresponding devices in order to be able to continuously feed starting compounds and solvents. Suitable reactors are known to the person skilled in the art. The mixing of the reaction mixture in step (A) of the process according to the invention is carried out by devices known to the person skilled in the art.
Bevorzugt erfolgt das Bereitstellen der Reaktionsmischung in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens so, dass eine homogene Mischung erhalten wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet „homogen", dass innerhalb der Mischung keine Dichte- und/oder keine Konzentrations-Unterschiede vorliegen.Preferably, the provision of the reaction mixture in step (A) of the process according to the invention is carried out so that a homogeneous mixture is obtained. In the context of the present invention, "homogeneous" means that there are no density and / or concentration differences within the mixture.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden inIn a preferred embodiment of the method according to the invention are in
Schritt (A) die oben genannten Komponenten miteinander vermischt, beispielsweise bei Raumtemperatur, und auf eine Temperatur von 35 bis 50 0C temperiert. Dieser Temperierungsschritt innerhalb von Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird insbesondere dann durchgeführt, wenn die in Schritt (A) eingesetzte wenigstens eine Vorläuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids in dem eingesetzten Lösungsmittel nicht vollständig bei Raumtemperatur löslich ist. Dieses Temperieren wird bevorzugt solange durchgeführt, bis die wenigstens eine Vorläuferverbindung vollständig in dem eingesetzten Lösungsmittel gelöst ist. Es ist erfindungsgemäß von be- sonderem Vorteil, wenn in der in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellten Reaktionsmischung alle Komponenten vollständig gelöst vorliegen. Das optional durchzuführende Temperieren der Reaktionsmischung in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch alle dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise durch elektrische Heizung, Heizen mit einem erhitzten Medium in einem Wärmetauscher und/oder Mikrowellen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das optionale Temperieren in Schritt (A) durch Mikrowellen-Strahlung. Bei dieser dielektrischen Strahlung kann grundsätzlich mit Mikrowellen im Frequenzbereich von 0,2 GHz bis 100 GHz gearbeitet werden. Für die industrielle Praxis stehen Frequenzen von 0,915, 2,45 und 5,8 GHz zur Verfügung, wobei 2,45 GHz besonders be- vorzugt sind.Step (A) the above components mixed together, for example at room temperature, and at a temperature of 35 to 50 0 tempered C. This tempering step within step (A) of the process according to the invention is carried out in particular when the at least one precursor compound of the at least one metal oxide used in step (A) in the solvent used is not completely soluble at room temperature. This tempering is preferably carried out until the at least one precursor compound is completely dissolved in the solvent used. According to the invention, it is of particular advantage if all components are completely dissolved in the reaction mixture provided in step (A) of the process according to the invention. The optionally carried out tempering of the reaction mixture in step (A) of the method according to the invention can be carried out by any of the skilled person known methods, for example by electric heating, heating with a heated medium in a heat exchanger and / or microwaves. In a preferred embodiment, the optional tempering in step (A) is effected by microwave radiation. In principle, microwaves in the frequency range from 0.2 GHz to 100 GHz can be used for this dielectric radiation. For industrial practice, frequencies of 0.915, 2.45 and 5.8 GHz are available, with 2.45 GHz being particularly preferred.
Strahlungsquelle für dielektrische Strahlung ist das Magnetron, wobei auch mit mehreren Magnetronen gleichzeitig bestrahlt werden kann. Es ist darauf zu achten, dass bei der Bestrahlung die Feldverteilung möglichst homogen ist, um eine gleichmäßige Er- hitzung der Reaktionsmischung zu erhalten.Radiation source for dielectric radiation is the magnetron, which can be irradiated simultaneously with several magnetrons. It must be ensured that the field distribution during irradiation is as homogeneous as possible in order to obtain a uniform heating of the reaction mixture.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Lösungen bereitgestellt, wobei die eine Lösung die wenigstens eine Vor- läuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids in einem Lösungsmittel, welches wenigsten einen einwertigen Alkohol enthält, und die zweite Lösung die wenigstens eine Sauerstoffquelle im gleichen oder einem anderen Lösungsmittel enthält. Beide Lösungen werden in dieser bevorzugten Ausführungsform unabhängig von einander auf eine Temperatur von bevorzugt 15 bis 40 0C, besonders bevorzugt 25 bis 40 0C erhitzt. Dem Fachmann sind dazu geeignete Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Die heißen Lösungen werden dann mit einander vermischt, wobei sich in einer bevorzugten Ausführungsform eine Lösung bildet. Falls nach der Vereinigung der beiden ursprünglichen Lösungen eine Suspension entsteht, soll das Vermischen in einer bevor- zugten Ausführungsform möglichst schnell erfolgen, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Zugabe innerhalb von 1 Minute, ganz besonders bevorzugt innerhalb von 30 Sekunden, insbesondere bevorzugt innerhalb von 10 Sekunden.In a further preferred embodiment of the method according to the invention, two solutions are provided, one solution comprising at least one runner compound of the at least one metal oxide in a solvent containing at least one monohydric alcohol, and the second solution containing the at least one source of oxygen in the same or a different solvent. Both solutions are heated independently in this preferred embodiment to a temperature of preferably 15 to 40 0 C, more preferably 25 to 40 0 C. The person skilled in the art for this purpose suitable methods and devices are known. The hot solutions are then mixed together, forming a solution in a preferred embodiment. If, after combining the two original solutions, a suspension is formed, the mixing in a preferred embodiment should take place as rapidly as possible, in a particularly preferred embodiment the addition takes place within 1 minute, very preferably within 30 seconds, particularly preferably within 10 seconds.
Schritt (B):Step (B):
Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Aufheizen der in Schritt (A) bereitgestellten Reaktionsmischung auf eine Temperatur T2 von 50 bis 135 0C durch Mikrowellen-Strahlung, wobei die Nanopartikel enthaltend wenigstens ein Metalloxid erhalten werden.Step (B) of the method according to the invention comprises heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135 ° C. by microwave radiation, the nanoparticles containing at least one metal oxide being obtained.
In Schritt (B) wird die in Schritt (A) bereitgestellte Reaktionsmischung auf einer Temperatur T2 von 50 bis 135 0C, bevorzugt 60 bis 120 0C, besonders bevorzugt 70 bis 100 0C aufgeheizt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die in Schritt (A) bereitgestellte Reaktionsmischung besonders schnell auf die Reaktionstemperatur in Schritt (B) aufgeheizt wird, so dass Nanopartikel erzeugt werden, welche sich durch eine besonders kleine und besonders einheitliche Teilchengröße auszeichnen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufheizen in Schritt (B) mit einer Heizrate von wenigstens 10 K * min"1, besonders bevorzugt wenigstens 20 K * min"1, ganz besonders bevorzugt wenigstens 50 K * min"1, insbesondere bevorzugt wenigstens 100 K * min"1. Bevorzugt werden hohe Heizraten von wenigstens 20, 50 bzw. 100 K * min"1 bei kontinuierlicher Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Schritt (B) bevorzugt so durchgeführt, dass in einem entsprechenden Behälter die Reaktionsmischung gemäß Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt wird, und mittels einer geeigneten Pumpe, beispielsweise einer Membran-Pumpe, Drehkolben-Pumpe, Drehschieber-Pumpe, Zahnradpumpe oder HPLC-Pumpe in einen für kontinuierliche Verfahren geeigneten Reaktor, beispielsweise einen Rohrreaktor, befördert wird. Dieser Rohrreaktor wird bevorzugt auf einer bestimmten Strecke mittels einer Heizung auf die in Schritt (B) vorliegende Temperatur T2 von 50 bis 135 0C aufgeheizt. Dieses Aufheizen erfolgt durch Mikrowellen-Strahlung. Aufgrund der Verwendung von Mikrowellen ist es erfindungs- gemäß bevorzugt, dass der Rohrreaktor, in dem Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt durchgeführt wird, aus einem Material besteht, welches schwach oder gar nicht mit den Mikrowellen interferiert, d.h. mit einer Eindringtiefe von > 100 cm, bevorzugt > 500 cm, besonders bevorzugt > 1000 cm, jeweils bei 2,45 GHz. Beispiele geeigneter Materialien sind Borosilikatglas, Quartz, Kunststoffe wie Polyethy- len, Polytetrafluorethylen, Keramiken basierend auf Silicat-Rohstoffen, auf oxidischen Rohstoffen, z.B. AI2O3 oder auf nichtoxidischen Rohstoffen.In step (B), the reaction mixture provided in step (A) is heated to a temperature T2 of 50 to 135 0 C, preferably 60 to 120 0 C, particularly preferably 70 to 100 0 C heated. The process according to the invention is characterized in that the reaction mixture provided in step (A) is heated particularly rapidly to the reaction temperature in step (B), so that nanoparticles are produced which are distinguished by a particularly small and particularly uniform particle size. In a preferred embodiment, the heating in step (B) is carried out at a heating rate of at least 10 K * min "1 , more preferably at least 20 K * min " 1 , very particularly preferably at least 50 K * min "1 , particularly preferably at least 100 K. * min "1 . In the process according to the invention, step (B) is preferably carried out such that in a corresponding vessel the reaction mixture according to step (A) is preferably heated to at least 20, 50 or 100 K * min -1 . according to the process of the invention, and conveyed by means of a suitable pump, for example a membrane pump, rotary pump, rotary vane pump, gear pump or HPLC pump, into a reactor suitable for continuous processes, for example a tubular reactor heated to a certain distance by means of a heater to the present in step (B) temperature T2 from 50 to 135 0 C. This heating is carried out by microwave radiation.With the use of microwaves, it is inventively according to preferred that the tubular reactor, in the step (B) of the inventive method is preferably carried out, consists of a material which weakly or not at all interferes with the microwaves, ie with a penetration depth of> 100 cm, preferably> 500 cm, especially preferably> 1000 cm, each at 2.45 GHz. Examples of suitable materials are borosilicate glass, quartz, plastics such as polyethylenes, polytetrafluoroethylene, ceramics based on silicate raw materials, on oxidic raw materials, eg Al 2 O 3 or on non-oxidic raw materials.
In Schritt (B) des erfindunsgemäßen Verfahrens kann grundsätzlich mit Mikrowellen im Frequenzbereich von 0,2 GHz bis 100 GHz gearbeitet werden. Für die industrielle Praxis stehen Frequenzen von 0,915, 2,45 und 5,8 GHz zur Verfügung, wobei 2,45 GHz besonders bevorzugt sind.In step (B) of the method according to the invention, it is generally possible to work with microwaves in the frequency range from 0.2 GHz to 100 GHz. For industrial practice frequencies of 0.915, 2.45 and 5.8 GHz are available, with 2.45 GHz being particularly preferred.
Strahlungsquelle für dielektrische Strahlung ist das Magnetron, wobei auch mit mehre- ren Magnetronen gleichzeitig bestrahlt werden kann. Es ist darauf zu achten, dass bei der Bestrahlung die Feldverteilung möglichst homogen ist, um eine gleichmäßige Erhitzung der Reaktionsmischung und damit eine gleichmäßige Teilchengrößenverteilung zu erhalten. Des Weiteren ist es mit Mikrowellen möglich, sehr hohe Heizraten zu erzielen, so dass kurze Verweilzeiten der Reaktionslösung in den einzelnen Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich sind. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig durchgeführt werden und ist besonders für die Durchführung im industriellen Maßstab geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es des Weiteren, dass Metalloxidnanopartikel erhalten werden, ohne dass ein zeit- und damit kostenintensiver Reifungsschritt notwendig ist.Radiation source for dielectric radiation is the magnetron, which can be irradiated simultaneously with several magnetrons. Care must be taken to ensure that the field distribution during irradiation is as homogeneous as possible in order to obtain a uniform heating of the reaction mixture and thus a uniform particle size distribution. Furthermore, it is possible with microwaves to achieve very high heating rates, so that short residence times of the reaction solution in the individual stages of the process according to the invention are possible. As a result, the process according to the invention can be carried out in a particularly cost-effective manner and is particularly suitable for carrying out on an industrial scale. The process according to the invention furthermore makes it possible to obtain metal oxide nanoparticles without the need for a time-consuming and thus cost-intensive ripening step.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allen dem Fachmann bekannten Vorrichtungen durchgeführt werden, beispielsweise in einem Rohrreaktor. Der bevorzugt verwendete Rohrreaktor kann in jeder räumlichen Ausrichtung installiert werden, so dass die Reaktionsmischung horizontal, vertikal oder diagonal fließt. Des Weiteren ist es vorteil- haft, wenn die Verweilzeit der Reaktionsmischung im Reaktor möglichst einheitlich ist, um so eine Verbreiterung der Teilchengrößenverteilung und eine Verschlechterung der Qualitätsmerkmale, die auf eine einheitliche Verweilzeit zurückzuführen sind, zu vermeiden. Daher ist der Reaktor in einer bevorzugten Ausführungsform so konstruiert, dass eine teilweise Stagnation des Flusses der Reaktionsmischung und/oder eine un- vorteilhaft ungleichmäßige Verteilung der Verweilzeiten vermieden werden.The process according to the invention can be carried out in all devices known to the person skilled in the art, for example in a tubular reactor. The preferably used tubular reactor can be installed in any spatial orientation so that the reaction mixture flows horizontally, vertically or diagonally. Furthermore, it is advantageous if the residence time of the reaction mixture in the reactor is as uniform as possible in order to avoid widening of the particle size distribution and deterioration of the quality features attributable to a uniform residence time. Therefore, in a preferred embodiment, the reactor is designed to avoid partial stagnation of the flow of the reaction mixture and / or disadvantageously nonuniform distribution of residence times.
Die Form des Rohres des bevorzugt eingesetzten Rohrreaktors im Querschnitt unterliegt keinen Beschränkungen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Querschnitt kreisförmig oder konzentrisch annular, um einen uneinheitlichen Fluss, Stagnationen, Turbulenzen oder uneinheitliches Erhitzen der Reaktionsmischung zu vermeiden. Es ist erfindungsgemäß notwendig, dass die Querschnittsfläche des bevorzugt verwendeten Rohrreaktors nicht übermäßig groß ist, um sicher zu stellen, dass die strömende Reaktionsmischung möglichst gleichmäßig erhitzt wird. Des Weiteren wird der Durchmesser des bevorzugt eingesetzten Rohrreaktors so gewählt, dass sich in Kom- bination mit der Fließgeschwindigkeit der Reaktionsmischung in Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Verweilzeit der Reaktionsmischung in der heißen Zone ergibt, die gewährleistet, dass ein möglichst vollständiger Umsatz, beispielsweise mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%, erfolgt. Der Durchmesser des Rohrreaktors beträgt dabei bevorzugt 0,01 cm bis 10 cm, besonders bevorzugt 0,1 cm bis 5 cm.The shape of the tube of the tube reactor preferably used in cross-section is not subject to any restrictions. In a preferred embodiment, the cross-section is circular or concentric annular to avoid inconsistent flow, stagnation, turbulence or inconsistent heating of the reaction mixture. It is inventively necessary that the cross-sectional area of the tube reactor preferably used is not excessively large, to ensure that the flowing reaction mixture is heated as uniformly as possible. Furthermore, the diameter of the tube reactor which is preferably used is chosen such that, in combination with the flow rate of the reaction mixture in step (B) of the process according to the invention, a residence time of the reaction mixture in the hot zone results, which ensures that as complete a conversion as possible, for example, at least 90%, preferably at least 95%, takes place. The diameter of the tube reactor is preferably 0.01 cm to 10 cm, particularly preferably 0.1 cm to 5 cm.
Die Verweilzeit der Reaktionsmischung in der Reaktionszone gemäß Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt bevorzugt < 30 Minuten, besonders bevorzugt < 10 Minuten, ganz besonders bevorzugt < 5 Minuten.The residence time of the reaction mixture in the reaction zone in step (B) of the process according to the invention is preferably <30 minutes, more preferably <10 minutes, most preferably <5 minutes.
Es ist erfindungsgemäß von Vorteil, wenn in dem Bereich des Reaktors, in dem die Umsetzung der wenigstens einen Vorläuferverbindung zu dem wenigstens einen Metalloxid erfolgt, eine möglichst gute Durchmischung stattfindet. Diese Durchmischung kann durch alle dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (B) ein statischer Mischer eingesetzt, d.h. in dem be- vorzugt eingesetzten Rohrreaktor sind dem Fachmann bekannte Vorrichtungen, beispielsweise Leitbleche, eingebaut, die die strömende Reaktionsmischung während des Strömens durchmischen.It is advantageous according to the invention if the best possible thorough mixing takes place in the region of the reactor in which the reaction of the at least one precursor compound takes place with the at least one metal oxide. This mixing can be carried out by all methods known to those skilled in the art. In a preferred embodiment, a static mixer is used in step (B), i. In the tube reactor preferably used, devices known to those skilled in the art, for example baffles, are incorporated, which mix the flowing reaction mixture during the flow.
In Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der in Schritt (A) eingesetz- ten wenigstens einen Vorläuferverbindung und der wenigstens einen Sauerstoffquelle durch die eingebrachte thermische Energie das wenigstens eine Metalloxid in Form von Nanopartikeln erhalten. Diese Nanopartikel liegen nach Durchführen von Schritt (B) als Suspension in dem in Schritt (A) eingesetzten Lösungsmittel vor. Schritt (C):In step (B) of the process according to the invention, the at least one metal oxide in the form of nanoparticles is obtained from the at least one precursor compound used in step (A) and the at least one oxygen source by the thermal energy introduced. These nanoparticles are present after carrying out step (B) as a suspension in the solvent used in step (A). Step (C):
Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Abkühlen der Reaktionsmischung aus Schritt (B) enthaltend die Nanopartikel auf einer Temperatur T3 von 0 bis 50 0C.Step (C) of the process according to the invention comprises cooling the reaction mixture from step (B) containing the nanoparticles at a temperature T3 of 0 to 50 ° C.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahrens wird an Schritt (B) anschließend die erhaltene Reaktionsmischung durch dem Fachmann bekannte Vorrichtungen zur Abkühlung einer flüssigen Reaktionsmischung auf die oben genannte Temperatur abgekühlt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird auf eine Temperatur T3 von 10 bis 25 0C, ganz besonders bevorzugt auf Raumtemperatur abgekühlt. T3 in Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Allgemeinen so gewählt, dass das in den Schritten (A) und (B) verwendete Lösungsmittel nicht eingefroren wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird Schritt (C) auch in einem Rohrreaktor, beispielsweise einem Wärmetauscher, durchgeführt. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass mehrere Wärmetauscher hintereinander geschaltet werden. In Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Reaktionslösung abgekühlt, um ein weiteres, gegebenenfalls unkontrolliertes, Anwachsen der Nanopartikel zu unterdrücken.In a preferred embodiment of the continuous process according to the invention, the reaction mixture obtained is then cooled to the abovementioned temperature at step (B) by means known to those skilled in the art for cooling a liquid reaction mixture. In a preferred embodiment is cooled to a temperature T3 of 10 to 25 0 C, most preferably cooled to room temperature. T3 in step (C) of the process of the invention is generally chosen so that the solvent used in steps (A) and (B) is not frozen. In a further preferred embodiment, step (C) also in a tubular reactor, for example a heat exchanger. It is also possible according to the invention that several heat exchangers are connected in series. In step (C) of the process according to the invention, the reaction solution is cooled in order to suppress further, possibly uncontrolled, growth of the nanoparticles.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass das Abkühlen in Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders schnell geschieht. Bevorzugt erfolgt das Abkühlen in Schritt (C) mit einer Kühlrate von wenigstens 10 K * min"1, besonders bevorzugt wenigstens 20 K * min"1, ganz besonders bevorzugt wenigstens 50 K * min"1, insbesondere bevorzugt wenigstens 100 K * min"1. Die hohen Abkühlraten von wenigstens 20, 50 bzw. 100 K * min"1 werden bevorzugt bei kontinuierlicher Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht. Durch dieses besonders schnelle Abkühlen ist es erfindungsgemäß möglich, Nanopartikel mit besonders einheitlicher Teilchen- größenverteilung und kleineren Teilchengrößen als bei einem Verfahren, in dem mit einer geringeren Kühlrate abgekühlt wird, zu erhalten.According to the invention, it is preferred that the cooling in step (C) of the process according to the invention is particularly rapid. The cooling in step (C) is preferably carried out at a cooling rate of at least 10 K * min "1, more preferably at least 20 K * min" 1, very particularly preferably at least 50 K * min "1, particularly preferably at least 100 K * min" 1 . The high cooling rates of at least 20, 50 or 100 K * min -1 are preferably achieved by continuously carrying out the process according to the invention. This very fast cooling makes it possible according to the invention to use nanoparticles with a particularly uniform particle size distribution and smaller particle sizes than in a process in which is cooled at a lower cooling rate to obtain.
In Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine auf eine Temperatur T3 von 0 bis 500C abgekühlte Suspension der in Schritt (B) aus der wenigstens einen Vor- läuferverbindung und dem wenigstens einen Metalloxid gebildeten Nanopartikel in dem in Schritt (A) eingesetzten Lösungsmittel erhalten.In step (C) of the process according to the invention is a set to a temperature T3 of 0 to 50 0 C cooled suspension in step (B) from the runner connecting a pre least and the nanoparticles formed of at least one metal oxide in the step (A) Solvent received.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Nanopartikel in oder nach Schritt (B) und/oder in oder nach Schritt (C) funktionalisiert. Die Reagenzien können auch bereits in Schritt (A) des erfindungsgemäßen Verfahrens zugegeben werden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the nanoparticles are functionalized in or after step (B) and / or in or after step (C). The reagents can also be added already in step (A) of the method according to the invention.
Verfahren und Reagenzien, um Nanopartikel, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhalten werden, während der Synthese, bevorzugt an deren Oberfläche, zu funkti- onalisieren, sind dem Fachmann bekannt.Methods and reagents for functionalizing nanoparticles obtained by the process according to the invention during the synthesis, preferably on the surface thereof, are known to the person skilled in the art.
Geeignete Reagenzien sind beispielsweise Phosphonsäuren bzw. Salze/Ester von Phosphonsäuren R-PO(OH)2, siehe WO 2006/124670, Sulfonsäuren bzw. Salze/Ester von Sulphonsäuren R-SO2(OH), siehe DE 10 2005 047 807 A1 , Organosilane, siehe WO 2005/071002, DE 10 2005 010 320 A1 , Organische Säuren, siehe WO 2004/052327, Polyacrylate, siehe EP 1 630 136 A1 , amphiphile Moleküle, siehe DE 10 2004 009 287 A1 , Polyethylenglykole, Polyvinylpyrrolidon, Fettsäuren, Alkylami- ne, Alkanthiole und andere. Der Inhalt der genannten Dokumente wird hiermit ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.Suitable reagents are, for example, phosphonic acids or salts / esters of phosphonic acids R-PO (OH) 2 , see WO 2006/124670, sulfonic acids or salts / esters of sulfonic acids R-SO 2 (OH), see DE 10 2005 047 807 A1, Organosilanes, see WO 2005/071002, DE 10 2005 010 320 A1, organic acids, see WO 2004/052327, polyacrylates, see EP 1 630 136 A1, amphiphilic molecules, see DE 10 2004 009 287 A1, polyethylene glycols, polyvinylpyrrolidone, fatty acids, Alkylamines, alkanethiols and others. The content of said documents is hereby expressly incorporated into the present application.
Im Allgemeinen können die in Schritt (B) des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Nanopartikel durch alle dem Fachmann bekannte Verfahren aus der in Schritt (C) des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Suspension isoliert werden. In einer möglichen Ausführungsform schließt sich an Schritt (C) Schritt (D) an:In general, the nanoparticles prepared in step (B) of the process according to the invention can be isolated by all methods known to the person skilled in the art from the suspension obtained in step (C) of the process according to the invention. In one possible embodiment, step (C) is followed by step (D):
(D) Aufkonzentrieren der Reaktionsmischung aus Schritt (C).(D) Concentrating the reaction mixture from step (C).
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass sich an Schritt (C) des erfindunsgemäßen Verfahrens ein Schritt (D) anschließt, der ein Aufkonzentrieren der in Schritt (C) erhaltenen Mischung umfasst. Das Aufkonzentrieren in Schritt (D) kann durch dem Fachmann bekannte Verfahren, beispielsweise Filtration, wie Nano-, Ultra-, Mikrofiltration und/oder Zentrifugation, beispielsweise Ultrazentrifugation, erfolgen.According to the invention, it is possible for step (C) of the process according to the invention to be followed by a step (D) which comprises concentrating the mixture obtained in step (C). The concentration in step (D) can be carried out by methods known to the person skilled in the art, for example filtration, such as nano-, ultra-, microfiltration and / or centrifugation, for example ultracentrifugation.
Ein Schritt (D) wird erfindungsgemäß dann bevorzugt eingesetzt, wenn das Verfahren in hoher Verdünnung durchgeführt wird, was beispielsweise dann erfolgt, wenn kleine Teilchen erhalten werden sollen.A step (D) according to the invention is then preferably used when the process is carried out in high dilution, which takes place, for example, when small particles are to be obtained.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Schritt (E):In a further preferred embodiment, the method according to the invention comprises a step (E):
(E) Abtrennen der in der Reaktionsmischung aus Schritt (C) oder (D) vorliegenden Nanopartikel durch Filtration, beispielsweise Nano-, Ultra-, Mikrofiltration und/oder Zentrifugation, beispielsweise Ultrazentrifugation.(E) separating the nanoparticles present in the reaction mixture from step (C) or (D) by filtration, for example nano-, ultra-, microfiltration and / or centrifugation, for example ultracentrifugation.
Es ist erfindungsgemäß möglich, dass sich Schritt (E) direkt an Schritt (C) anschließt. In einer weiteren Ausführungsform schließt sich an Schritt (C) zunächst Schritt (D) an, und daran anschließend Schritt (E) an.It is possible according to the invention that step (E) is followed directly by step (C). In another embodiment, step (C) is followed by step (D), followed by step (E).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der aus der Filtration oder Zentrifugation in Schritt (E) erhaltene Rückstand mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Wasser oder organische Lösungsmittel wie Ethanol, iso-Propanol oder Mischungen davon, gewaschen und erneut filtriert oder zentrifugiert. Ein Waschen kann auch mittels eines Membranverfahrens wie Nano-, Ultra-, Mikro- oder Crossflowfiltration erfolgen. Dieser Waschvorgang kann so oft wiederholt werden, bis ein gewünschter Reinheitsgrad erreicht ist. Der so erhaltene Filterkuchen bzw. Zentrifugierrückstand kann in an sich bekannter Weise getrocknet werden, beispielsweise im Trockenschrank bei Temperaturen von 40 bis 100 0C, bevorzugt 50 bis 70 0C unter Normaldruck bis zur Gewichtskonstanz.In a preferred embodiment, the residue obtained from the filtration or centrifugation in step (E) is washed with a suitable solvent, for example water or organic solvents such as ethanol, isopropanol or mixtures thereof and again filtered or centrifuged. Washing may also be by means of a membrane process such as nano, ultra, micro or crossflow filtration. This washing process can be repeated until a desired degree of purity is reached. The resulting filter cake or Zentrifugierrückstand can be dried in a conventional manner, for example in a drying oven at temperatures of 40 to 100 0 C, preferably 50 to 70 0 C under atmospheric pressure to constant weight.
Die Schritte (A), (B), (C) und gegebenenfalls (D) und (E) werden unabhängig von ein- ander in einer möglichen Ausführungsform unter einer inerten Schutzgasatmosphäre durchgeführt. In einer weiteren möglichen Ausführungsform werden die Schritte (A), (B), (C) und gegebenenfalls (D) und (E) unabhängig von einander nicht in inerter Atmosphäre durchgeführt, beispielsweise in Luft. Alle Kombinationen von Schritten in inerter und Schritten nicht in inerter Atmosphäre sind möglich. Geeignete inerte Gase sind Edelgase, beispielsweise Helium oder Argon, Stickstoff oder Mischungen davon.The steps (A), (B), (C) and optionally (D) and (E) are carried out independently of one another in a possible embodiment under an inert protective gas atmosphere. In another possible embodiment, steps (A), (B), (C) and optionally (D) and (E) are not carried out independently of one another in an inert atmosphere, for example in air. All combinations of steps in inert and non-inert atmosphere steps are possible. Suitable inert gases are noble gases, for example helium or argon, nitrogen or mixtures thereof.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Ausführungsform kontinuierlich durch- geführt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren diskontinuierlich durchgeführt.The method according to the invention is carried out continuously in one embodiment. In another preferred embodiment, the process according to the invention is carried out batchwise.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Nanopartikel weisen eine mittlere Teilchengröße von ca. 5 bis 100 nm, bevorzugt 7 bis 50 nm auf, jeweils ermittelt durch dynamische Lichtstreuung (DLS) (an Suspensionen) und raster- bzw. trans- missionselektronenmikroskopische Untersuchungen (REM bzw. TEM) (an Pulvern).The nanoparticles obtained by the process according to the invention have an average particle size of about 5 to 100 nm, preferably 7 to 50 nm, in each case determined by dynamic light scattering (DLS) (on suspensions) and scanning or transmission electron microscopic investigations (SEM or TEM) (on powders).
Des Weiteren zeichnen sich die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Nanopartikel durch eine besonders enge Teilchengrößenverteilung aus. In einer bevor- zugten Ausführungsform liegen wenigstens 90% der erhaltenen Teilchengrößen in einem Größenbereich, der durch die durchschnittliche Teilchengröße ±15% dieser durchschnittlichen Teilchengröße beschrieben wird.Furthermore, the nanoparticles produced by the process according to the invention are characterized by a particularly narrow particle size distribution. In a preferred embodiment, at least 90% of the resulting particle sizes are in the size range described by the average particle size ± 15% of this average particle size.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die damit hergestellten Nanopartikel agglomeratfrei vorliegen. Dies kann dadurch gezeigt werden, dass sowohl die Bestimmung der Teilchengröße durch dynamische Lichtstreuung, als auch die Bestimmung der Teilchengröße durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen den gleichen Wert für die Teilchengröße ergeben. Figur:Another advantage of the method according to the invention is that the nanoparticles produced therewith are present without agglomerates. This can be demonstrated by the fact that both the determination of the particle size by dynamic light scattering, as well as the determination of the particle size by scanning electron microscopic investigations give the same value for the particle size. Figure:
Figur 1 zeigt die Röntgenbeugung eines erfindungsgemäß erhaltenen Zinkoxid-Pulvers.FIG. 1 shows the X-ray diffraction of a zinc oxide powder obtained according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch das folgende Beispiel näher erläutert.The process of the invention is further illustrated by the following example.
Ausführungsbeispiel:Embodiment:
Darstellung von nanoskaligem ZnO in Isopropanol unter Anwendung von Mikrowellen Es wird zunächst eine Mischung aus 37,67 g (0,172 mol) Zinkacetat-Dihydrat (Fa. Chemetall) und 1720 ml Isopropanol vorgelegt. Zu der Mischung werden 16,55 g (0,295 mol) Kaliumhydroxid (Fa. Riedel de Haen) zugegeben. Das Gemisch wird unter Rühren (325 Upm) auf 75°C innerhalb von 4,5 Minuten mittels Mikrowellen (Ethos 1800, Fa. MLS) erhitzt und 5 Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Der erhaltene Feststoff wird vom Lösungsmittel abgetrennt und 2 Mal mit 1 L Isopropanol gewaschen. Anschließend wird Isopropanol an einem Rotationsverdampfer vollständig entfernt. Die Röntgenbeugung des erhaltenen Pulvers zeigt ausschließlich die Beugungsreflexe von Zinkoxid (Fig. 1 ). Auf der x-Achse ist die Anzahl der Reflexe aufgetragen. Auf der y-Achse ist 2-Theta aufgetragen. Die Step-Time beträgt 3.6 s. Die Messung wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Es wird eine Cu-Anode verwendet. Die Röntgenbergung entspricht der von hexagonalem ZuO.Preparation of nanoscale ZnO in isopropanol using microwaves A mixture of 37.67 g (0.172 mol) of zinc acetate dihydrate (Chemetall) and 1720 ml of isopropanol is initially introduced. 16.55 g (0.295 mol) of potassium hydroxide (from Riedel de Haen) are added to the mixture. The mixture is heated with stirring (325 rpm) to 75 ° C within 4.5 minutes by means of microwaves (Ethos 1800, MLS) and held at this temperature for 5 minutes. The resulting solid is separated from the solvent and washed twice with 1 L of isopropanol. Subsequently, isopropanol is completely removed on a rotary evaporator. The X-ray diffraction of the obtained powder shows exclusively the diffraction reflections of zinc oxide (Fig. 1). The number of reflections is plotted on the x-axis. 2-theta is plotted on the y-axis. The step time is 3.6 s. The measurement is carried out at room temperature. A Cu anode is used. The X-ray recovery corresponds to that of hexagonal ZuO.
Aus der Halbwertsbreite der Röntgen reflexe lässt sich eine mittlere Kristallitgröße von ca. 8 nm berechnen. From the half-width of the X-ray reflexes, an average crystallite size of about 8 nm can be calculated.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln enthaltend wenigstens ein Metall- oxid, umfassend die Schritte:1. A process for the preparation of nanoparticles comprising at least one metal oxide, comprising the steps:
(A) Bereitstellen einer Reaktionsmischung enthaltend wenigstes eine Vorläuferverbindung des wenigstens einen Metalloxids und wenigstens eine Sauerstoffquelle in einem Lösungsmittel, welches wenigstens einen einwertigen Alkohol enthält, bei einer Temperatur T1 von 0 bis 50 0C,(A) providing a reaction mixture containing at least one precursor compound of the at least one metal oxide and at least one oxygen source in a solvent containing at least one monohydric alcohol at a temperature T1 of 0 to 50 ° C,
(B) Aufheizen der in Schritt (A) bereitgestellten Reaktionsmischung auf eine Temperatur T2 von 50 bis 135 0C durch Mikrowellen-Strahlung, wobei die Nanopartikel enthaltend wenigstens ein Metalloxid erhalten werden und(B) heating the reaction mixture provided in step (A) to a temperature T2 of 50 to 135 0 C by microwave radiation, wherein the nanoparticles containing at least one metal oxide are obtained and
(C) Abkühlen der Reaktionsmischung aus Schritt (B) enthaltend die Nanoparti- kel auf eine Temperatur T3 von 0 bis 50 0C.(C) cooling the reaction mixture from step (B) containing the nanoparticles to a temperature T3 of 0 to 50 ° C.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich an Schritt (C) Schritt (D) anschließt:2. Method according to claim 1, characterized in that step (D) follows at step (C):
(D) Aufkonzentrieren der Reaktionsmischung aus Schritt (C).(D) Concentrating the reaction mixture from step (C).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich an Schritt (C) oder (D) Schritt (E) anschließt:3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that at step (C) or (D) step (E) follows:
(E) Abtrennen der in der Reaktionsmischung aus Schritt (C) oder (D) vorliegenden Nanopartikel durch Filtration und/oder Zentrifugation.(E) separating the nanoparticles present in the reaction mixture from step (C) or (D) by filtration and / or centrifugation.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es kontinuierlich durchgeführt wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is carried out continuously.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es diskontinuierlich durchgeführt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that it is carried out batchwise.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel in oder nach Schritt (B) und/oder in oder nach Schritt (C) funktiona- lisiert werden. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the nanoparticles are functionalized in or after step (B) and / or in or after step (C).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffquelle ausgewählt ist aus Wasser oder Kristallwasser der eingesetzten Vorläuferverbindungen.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the oxygen source is selected from water or water of crystallization of the precursor compounds used.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen in Schritt (B) mit einer Heizrate von wenigstens 10 K * min"1 erfolgt.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the heating in step (B) at a heating rate of at least 10 K * min "1 takes place.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen in Schritt (B) mit einer Heizrate von wenigstens 20 K * min"1 erfolgt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the heating in step (B) at a heating rate of at least 20 K * min "1 takes place.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen in Schritt (C) mit einer Kühlrate von wenigstens 10 K * min"1 erfolgt.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling in step (C) with a cooling rate of at least 10 K * min "1 takes place.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ddaass P Abkühlen in Schritt (C) mit einer Kühlrate von wenigstens 20 K * min"1 er- folgt. 1 1. A method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that ddaass P cooling in step (C) with a cooling rate of at least 20 K * min "1 follows.
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