Nanoparticle synthesis has evolved into a highly diverse discipline, characterized by increasingly sophisticated precursor designs, reactor engineering, and templating strategies to achieve precise control over particle properties. Although this diversity has significantly advanced the field, it has also diverted attention from the fundamental physicochemical principles governing nanoparticle formation. This thesis adopts an alternative approach: instead of increasing synthetic complexity, it seeks to mechanistically elucidate nanoparticle formation in simple, water-based systems under mild conditions, and to exploit this understanding to control and, where feasible, optimize particle properties for targeted applications.
Three (and a half) structurally distinct systems were investigated: surfactant-free ternary mixtures for Stöber-type silica synthesis; spontaneous, one-pot coprecipitation of transition metal carbonates and sulfides within silica matrices, including the effects of ligand-controlled precipitation phenomena on this coprecipitation process; and polyacrylic acid/transition-metal coacervates as templates for nanoparticle formation. In all systems, particle formation was determined to depend more on the kinetics governing the availability, interaction, and assembly of the relevant building blocks than on the complexity of the synthesis route. Interfacial diffusion across microemulsion boundaries, pH-coupled silica condensation, precursor complex stability, ligand-mediated surface passivation, and confinement-induced changes in chemical potential were each identified as tunable, rate-limiting steps. Based on these insights, highly monodisperse nanoscale silica particles, silica-encapsulated transition-metal carbonate and sulfide nanodots, precursor- and ligand-tuned CdS/ZnS quantum dots, and coacervate-templated ultra-small carbonate, sulfide, and oxide nanoparticles were synthesized using only water as the solvent under near-ambient conditions.
Building on this mechanistic understanding, application-oriented optimization was conducted for selected synthesized materials. Notably, iron oxide/silica core–shell particles produced via the coprecipitation route were developed into heterogeneous Fenton-like catalysts that operate at circumneutral pH, achieving activity comparable to or surpassing that of more complex multistep systems. Additional application-specific optimization was performed for the remaining materials and is discussed in conjunction with the relevant mechanistic findings. Collectively, these results demonstrate that a kinetically informed understanding of nanoparticle formation offers a robust and transferable framework for the rational, application-driven design of functional nanomaterials using simple, sustainable, and scalable water-based synthesis methods.

Die Synthese von Nanopartikeln hat sich zu einem äußerst vielfältigen Forschungsgebiet entwickelt, das durch immer ausgefeiltere Vorläuferkonzepte, Reaktortechnik und Templatierungsstrategien gekennzeichnet ist, um eine präzise Steuerung der Partikeleigenschaften zu erreichen. Diese Vielfalt hat zwar das Fachgebiet erheblich vorangebracht, jedoch auch die Aufmerksamkeit von den grundlegenden physikalisch-chemischen Prinzipien abgelenkt, die der Bildung von Nanopartikeln zugrunde liegen. Diese Dissertation verfolgt einen alternativen Ansatz: Anstatt die Komplexität der Synthese zu erhöhen, zielt sie darauf ab, die Nanopartikelbildung in einfachen, wasserbasierten Systemen unter milden Bedingungen mechanistisch aufzuklären und dieses Verständnis zu nutzen, um die Partikeleigenschaften für gezielte Anwendungen zu steuern und, soweit möglich, zu optimieren.
Insgesamt wurden drei(einhalb) strukturell unterschiedliche Systeme untersucht: tensidfreie ternäre Gemische für die Synthese Stöber-artige Siliciumdioxidpartikel; die spontane Kopräzipitation von Übergangsmetallcarbonaten und -sulfiden eingebettet in Siliciumdioxid-Matrizen, einschließlich der Auswirkungen ligandengesteuerter Fällungsphänomene auf diesen Kopräzipitationsprozess; sowie Polyacrylsäure/Übergangsmetall-Koazervate als Template für die Nanopartikelbildung. In allen Systemen zeigte sich, dass die Partikelbildung stärker von der Kinetik abhängt, die die Verfügbarkeit, Wechselwirkung und Anordnung der relevanten Bausteine bestimmt, als von der Komplexität des Synthesewegs. Grenzphasendiffusion über Mikroemulsionsgrenzen hinweg, pH-gesteuerte Siliciumdioxid-Kondensation, Stabilität der Vorläuferkomplexe, Liganden-gestützte Oberflächenpassivierung und Änderungen des chemischen Potenzials wurden jeweils als einstellbare, geschwindigkeitsbestimmende Schritte identifiziert. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurden monodisperse nanoskalige Siliciumdioxidpartikel und mit Siliciumdioxid eingekapselte Übergangsmetallcarbonat- beziehungsweise -sulfid-Nanomaterialien hergestellt. Ebenso konnten durch Vorläufer und Liganden abgestimmte CdS/ZnS-Quantenpunkte sowie durch Koazervate als Templat ultrakleine Carbonat-, Sulfid- und Oxid-Nanopartikel unter Verwendung von ausschließlich Wasser als Lösungsmittel bei nahezu Umgebungsbedingungen synthetisiert werden.
Aufbauend auf diesem mechanistischen Verständnis wurde eine anwendungsorientierte Optimierung für ausgewählte synthetisierte Materialien entwickelt. Insbesondere wurden Eisenoxid/Siliciumdioxid-Kern-Schale-Partikel, die im Kopräzipitationsverfahren hergestellt wurden, zu heterogenen Fenton-ähnlichen Katalysatoren weiterentwickelt, die bei einem nahezu neutralen pH-Wert arbeiten und dabei eine Aktivität erreichen, die mit den komplexeren mehrstufigen Systemen vergleichbar ist oder diese sogar übertrifft. Für die übrigen Materialien wurde eine zusätzliche anwendungsspezifische Optimierung durchgeführt, die im Zusammenhang mit den entsprechenden mechanistischen Erkenntnissen erörtert wird. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass ein kinetisch fundiertes Verständnis der Nanopartikelbildung einen robusten und übertragbaren Rahmen für das rationale, anwendungsorientierte Design funktioneller Nanomaterialien unter Verwendung einfacher, nachhaltiger und skalierbarer Syntheseverfahren auf Wasserbasis bietet.