DE102006014069A1 - Preparing a noble metal-containing inorganic oxide-brine, useful e.g. in the preparation of photovoltaic elements, comprises preparing the brine, and reacting a noble metal-precursor component with a water miscible organic solvent - Google Patents

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Abstract

Preparation of noble metal-containing inorganic oxide-brine (I) comprises preparation of the brine by reacting an inorganic oxide forming precursor component, silicon alkoxide or its mixture and/or hydrolyzable metal component or its mixtures; and reaction of a noble metal-precursor component, preferably in the presence of a colloid stabilizer, in a solvent, water, at least with a water miscible organic solvent in a closed pressure container at greater than 100[deg]C. Preparation of noble metal-containing inorganic oxide-brine (I) comprises preparation of the brine by reacting an inorganic oxide forming precursor component, silicon alkoxide or its mixture and/or hydrolyzable metal component or its mixtures; and reaction of a noble metal-precursor component, preferably in the presence of a colloidal stabilizer, in a solvent, water, at least with a water miscible organic solvent in a closed pressure container at greater than 100[deg]C, where the reaction comprises the hydrolysis of the inorganic oxide forming precursor component and simultaneous complete reduction of the noble metal precursor component, by alcohol, to elementary noble metal. An independent claim is included for a noble metal-containing inorganic oxide-brine comprising a noble metal particle on the surface of oxide particle, existing as silicon oxide and/or metal oxide containing adsorbent.

Description

Es ist bekannt, dass man Materialoberflächen, speziell textile und polymere Materialien, durch eine Oberflächenbehandlung funktionalisieren kann, um die Gebrauchswerteigenschaften zu erhöhen und die Materialien wirksam vor schädigenden chemischen, mechanischen, thermischen, elektromagnetischen und biologischen Einflüsssen zu schützen. Durch eine wirksame Oberflächenmodifizierung können für die genannten Materialien neue, attraktive Einsatzmöglichkeiten erschlossen werden. Dabei sind Wirtschaftlichkeit und ökologische Unbedenklichkeit, neben der Verbesserung der Qualitätsparameter, entscheidende Anwendungskriterien.It is known that one material surfaces, especially textile and polymeric materials, functionalized by a surface treatment can to increase the utility value properties and the materials effectively from damaging chemical, mechanical, thermal, electromagnetic and biological Einflüsssen to protect. Through an effective surface modification can for the mentioned, new, attractive applications are opened up. Economical and ecological safety, in addition to improving the quality parameters, crucial Application criteria.

Für die Funktionalisierung von Materialoberflächen gewinnt die Sol-Gel-Technik (vgl. C.J.Brinker, G.W.Scherer, Sol-Gel-Science, Academic Press 1990) zunehmendes Interesse, da sie ermöglicht, ökonomisch und mit guter Qualität anorganische Oxid-Schichten, sog. keramische Beschichtungen, bei niedrigen Temperaturen auf organischen Materialoberflächen abzuscheiden.For functionalization of material surfaces wins the sol-gel technique (cf C. J.Brinker, G.W.Scherer, Sol-Gel-Science, Academic Press 1990), because it allows for economical and good quality inorganic processes Oxide layers, so-called ceramic coatings, at low temperatures on organic material surfaces deposit.

Figure 00010001
Schema 1 Sol-Gel-Prozeß (z.B. zur Bildung von SiO2-Schichten)
Figure 00010001
Scheme 1 sol-gel process (eg to form SiO 2 layers)

Hierbei stellt das anorganische Oxid-Sol (II) die eigentliche Beschichtungslösung (ähnlich einem Lack) dar, das durch Lösungsmittelverdampfung eine lösungsmittelhaltige Gelschicht (III) bildet, die in verschiedenen Trocknungsstufen durch Lösungsmittelentfernung und Vernetzung in den reinen Oxid-Film übergeht.in this connection represents the inorganic oxide sol (II), the actual coating solution (similar to a Lack), by solvent evaporation a solvent-containing Gel layer (III) forms, which in different drying stages through Solvent removal and cross-linking into the pure oxide film.

Ein Vorteil der Sol-Gel-Technik besteht in der Möglichkeit, die Sole durch chemische Modifizierung und Immobilisierung verschiedener funktioneller Stoffe dem späteren Verwendungszweck anzupassen. Hierbei ist derzeit insbesondere die Ausrüstung von Materialoberflächen mit keimtötenden antimikrobiellen Beschichtungen von steigendem Interesse und wurde bisher auf zwei prinzipiell verschiedenen Wegen realisiert:

  • (A) Antimikrobiell wirkende Substanzen werden in der Sol-Gel-Beschichtung immobilisiert und kontrolliert freigesetzt ( DE 4329279.8 (v. 31.08.1993). Hierbei hat in jüngster Zeit die Sol-Gel-Immobilisierung von kolloidalem Silber aufgrund seiner geringen Toxizität und excellenten Langzeitwirkung ein besonderes Interesse erlangt ( JP 08067835 , JP 09025437 , DE 10225324 , DE 10315720 , DE 10337399 ). Das Problem derartiger Schichten besteht in einer geeigneten Einbringung kolloidaler Silberpartikel in die Schicht und alle bisherigen Verfahrensweisen haben verschiedene Nachteile: (i) Der Zusatz kolloidalen Silbers zum Beschichtungssol erfordert neben hohen Materialkosten einen hohen Dispergier- und Stabilisierungsaufwand; (ii) Der Einsatz von Silbersalzen und Silberkomplexen führt (neben lichtinduzierten Verfärbungen) zu einer unerwünscht schnellen Ausdiffusion von Silberionen aus der Schicht; (iii) Die in situ-Reduktion zugesetzter Silbersalze im Sol ist hinsichtlich Teilchengröße und Dispersionsstabilität schwer steuerbar; (iv) Die thermische Reduktion der Silbersalze in der Schicht ist für viele organische Substrate (Holz, Textilien, Polymere) aufgrund thermischer Zersetzungen nicht möglich.
  • (B) Photokatalytisch wirkende TiO2-Beschichtungen auf Sol-Gel-Basis zerstören bei UV-Bestrahlung oxidativ anhaftende Keime und andere organische Ablagerungen („selbstreinigende" Oberflächen). Nachteilig hierbei ist, dass nur die Anatas-Modifikation eine hohe Photoaktivität zeigt, was eine nachtägliche Temperung der Schichten z.B. auf 500°C ( JP 6090489 ), 300-1000°C ( DE 19962055 ) oder eine nachträgliche hydrothermale Behandlung der Schichten von 60-200°C (WO 2004/007070) erforderlich macht. Während Temperungen über 300°C für alle organischen Substrate ausscheiden, beeinträchtigt die nachträgliche hydrothermale Behandlung der Schichten die Schichtqualität und ist sehr zeit- und kostenaufwendig und daher wirtschaftlich nicht praktikabel. Genereller Nachteil von TiO2-Schichten ist zudem, dass zur Erzielung der Keimfreiheit die Anwesenheit von Licht erforderlich ist. Darum ist man bestrebt, in derartigen Schichten antimikrobiell wirkende Substanzen zusätzlich zu immobilisieren, um eine biozide Wirkung auch bei Abwesenheit von Licht zu garantieren.
An advantage of the sol-gel technique is the ability to adapt the sols to their intended use by chemically modifying and immobilizing various functional substances. In particular, the equipment of material surfaces with germicidal antimicrobial coatings is currently of increasing interest and has hitherto been realized in two fundamentally different ways:
  • (A) Antimicrobial substances are immobilized in the sol-gel coating and released in a controlled manner ( DE 4329279.8 (v. 31.08.1993). Recently, the sol-gel immobilization of colloidal silver has acquired a special interest due to its low toxicity and excellent long-term effect ( JP 08067835 . JP 09025437 . DE 10225324 . DE 10315720 . DE 10337399 ). The problem with such layers is the proper incorporation of colloidal silver particles into the layer, and all previous processes have several disadvantages: (i) The addition of colloidal silver to the coating sol, in addition to high material costs, requires a high dispersion and stabilization effort; (ii) The use of silver salts and silver complexes leads (in addition to light-induced discolorations) to an undesirably rapid outdiffusion of silver ions from the layer; (iii) The in situ reduction of added silver salts in the sol is difficult to control in terms of particle size and dispersion stability; (iv) The thermal reduction of silver salts in the layer is not possible for many organic substrates (wood, textiles, polymers) due to thermal decomposition.
  • (B) Photocatalytically active TiO 2 coatings on a sol-gel basis destroy oxidatively adhering nuclei and other organic deposits ("self-cleaning" surfaces) on UV irradiation, with the disadvantage that only the anatase modification shows high photoactivity a night-time heat treatment of the layers, for example to 500 ° C ( JP 6090489 ), 300-1000 ° C ( DE 19962055 ) or a subsequent hydrothermal treatment of the layers of 60-200 ° C (WO 2004/007070) is required. While anneals above 300 ° C for all organic substrates excreted, the subsequent hydrothermal treatment of the layers affects the quality of the layer and is very time and cost consuming and therefore not economically feasible. Another general disadvantage of TiO 2 layers is that the presence of light is required to achieve sterility. Therefore, it is endeavored to additionally immobilize antimicrobial substances in such layers in order to guarantee a biocidal effect even in the absence of light.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es somit, ein neues Beschichtungssystem, insbesondere auf Sol-Gel-Basis, zu entwickeln, welches die Funktionalisierung, insbesondere antibakterielle Ausrüstung, eines breiten Spektrums von Materialoberflächen auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht und die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.The object of the present invention was thus a new coating system, in particular Sol-gel base, which enables the functionalization, in particular antibacterial equipment, a wide range of material surfaces in a simple and cost-effective manner and avoids the disadvantages of the prior art.

Überraschenderweise konnte die Aufgabe dadurch gelöst werden, dass zur Beschichtung edelmetallhaltige anorganische Oxid-Sole verwendet werden, die durch ein solvothermales Syntheseverfahren gemäß Anspruch 1 aus Siliciummalkoxiden und/oder hydrolysierbaren Metallverbindungen und Edelmetallverbindungen in Gegenwart von Kolloidstabilisatoren in wässrig-organischen Lösungsmitteln in einem geschlossenen Druckbehälter bei Temperaturen über 100°C erhalten werden. Bei diesem einstufigen Verfahren läuft die hydrolytische Bildung der Oxid-Sole, eine Reduktion der Edelmetallverbindungen durch Alkohol zu Edelmetallkolloiden, die auf der Oberfläche der Oxid-Partikel adsorbiert werden, und die Erhöhung des Kristallinitätsgrades der Oxid-(Nano)partikel gleichzeitig ab.Surprisingly could solve the problem be used that are used for coating noble metal-containing inorganic oxide sols, by a solvothermal synthesis method according to claim 1 of Siliciummalkoxiden and / or hydrolyzable metal compounds and noble metal compounds in the presence of colloid stabilizers in aqueous-organic solvents in a closed pressure vessel at temperatures above 100 ° C received become. This one-step process involves hydrolytic formation the oxide brine, a reduction of the precious metal compounds by alcohol to noble metal colloids adsorbed on the surface of the oxide particles be, and the increase the degree of crystallinity the oxide (nano) particles simultaneously.

Die resultierenden edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Sole zeigen eine ausgezeichnete Kolloidstabilität und bilden auf beliebigen Materialoberflächen gut haftende Beschichtungen mit exzellenter antimikrobieller Aktivität und darüber hinaus, je nach Zusammensetzung, weiteren vorteilhaften Eigenschaften; z.B. bei TiO2-Solen gleichzeitig hoher Photoaktivität.The resulting noble metal-containing inorganic oxide sols exhibit excellent colloid stability and form well-adhering coatings with excellent antimicrobial activity on any material surfaces and moreover, depending on the composition, further advantageous properties; For example, in TiO 2 sols simultaneously high photoactivity.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit Verfahren zur Herstellung von edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-solen gemäß den Ansprüchen 1-7 sowie die damit erhältlichen Sole gemäß den Ansprüchen 8-12 und deren Verwendung gemäß den Ansprüchen 13-20.object The present invention thus provides methods of preparation of noble metal-containing inorganic oxide sols according to claims 1-7 as well as those obtainable therewith Brine according to claims 8-12 and their use according to claims 13-20.

Zur Herstellung der edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Sole kann als oxid-bildende Vorläuferkomponente ein Siliciumalkoxid der allgemeinen Struktur (R1O)4Si, (R1O)3Si-R2 oder (R1O)2SiR2R2, wobei R1 einen Alkylrest mit 1-4 C-Atomen und R2 einen Alkyl- oder Fluoralkylrest mit 1-16 C-Atomen bedeutet, wobei R2 ferner zusätzliche Alkoxy-, Epoxy-, Amino- oder Alkylaminogruppen oder andere O-, N- oder S-haltige funktionelle Gruppen als Substituenten enthalten kann, oder eine Mischung solcher Siliciumalkoxide eingesetzt werden.To prepare the noble metal-containing inorganic oxide sols can be used as oxide-forming precursor component is a silicon alkoxide having the general structure (R 1 O) 4 Si, (R 1 O) 3 SiR 2, or (R 1 O) 2 SiR 2 R 2 wherein R 1 is an alkyl radical having 1-4 C atoms and R 2 is an alkyl or fluoroalkyl radical having 1-16 C atoms, where R 2 further comprises additional alkoxy, epoxy, amino or alkylamino groups or other O, N or S-containing functional groups may contain as substituents, or a mixture of such silicon alkoxides are used.

Als Vorläufer (Precursor) für Metalloxide werden vorzugsweise Metallalkoxide, die sich von Elementen der II.-V. Gruppe des Periodensystems ableiten, oder deren Gemische eingesetzt. Einige bevorzugte Beispiele solcher Elemente sind Ti, Al, Zr und Zn.When precursor (Precursor) for Metal oxides are preferably metal alkoxides derived from elements of the II.-V. Derive group of the periodic table, or mixtures thereof used. Some preferred examples of such elements are Ti, Al, Zr and Zn.

Prinzipiell können jedoch auch andere hydrolysierbare Metallverbindungen von Elementen der II.-V. Gruppe des Periodensystems wie z.B. Halogenide oder Carboxylate, vorzugsweise Acetate, als Precursoren eingesetzt werden.in principle can but also other hydrolyzable metal compounds of elements the II.-V. Group of the periodic table such. Halides or carboxylates, preferably acetates, are used as precursors.

Es ist auch möglich, obengenannte Vorläufer in gemischter Form einzusetzen, z.B. Gemische aus Siliciumalkoxiden und Metallalkoxiden oder Gemische aus unterschiedlichen Siliciumalkoxiden oder Gemische aus unterschiedlichen Metallalkoxiden. Dabei sind Mischungen, die mindestens ein Siliciumalkoxid umfassen, bevorzugt.It is possible, too, above-mentioned precursors in mixed form, e.g. Mixtures of silicon alkoxides and metal alkoxides or mixtures of different silicon alkoxides or mixtures of different metal alkoxides. There are Mixtures comprising at least one silicon alkoxide, preferably.

In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Mischung eines Titanalkoxids und mindestens eines anderen Alkoxids, vorzugsweise Siliciumalkoxids, eingesetzt. Vorzugsweise wird eine solche Mischung eingesetzt, dass der Anteil an TiO2 in der resultierenden Oxidmatrixkomponente des edelmetallhaltigen Sols bzw. des getrockneten Gels ≥ 50 Gew.-% ist.In a specific embodiment of the present invention, a mixture of a titanium alkoxide and at least one other alkoxide, preferably silicon alkoxide, is used. Preferably, such a mixture is used that the proportion of TiO 2 in the resulting oxide matrix component of the noble metal-containing sol or of the dried gel is ≥ 50% by weight.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Oxidkomponente des edelmetallhaltigen Oxid-Sols oder -Gels 60-80 Gew.-% TiO2 und 40-20 Gew.-% SiO2, Z.B. etwa 75 Gew.-% TiO2 und etwa 25 Gew.-% SiO2.In a particularly preferred embodiment of the invention, the oxide component of the noble metal-containing oxide sol or gel comprises 60-80% by weight of TiO 2 and 40-20% by weight of SiO 2 , for example about 75% by weight of TiO 2 and about 25 Wt .-% SiO 2 .

Zur Herstellung der edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Sole können als Edelmetall-Vorläufer Edelmetallverbindungen, vorzugsweise Salze oder Komplexe von Au, Ag, Cu, Pt, Pd oder Ru, vorzugsweise in Konzentrationen von 0.1-20 Gew.-%, bezogen auf das gebildete Oxid im Sol bzw. in der Gel-Schicht, verwendet werden.to Preparation of the noble metal-containing inorganic oxide sols can as Noble metal precursor precious metal compounds, preferably salts or complexes of Au, Ag, Cu, Pt, Pd or Ru, preferably in concentrations of 0.1-20 wt .-%, based on the formed oxide in the sol or in the gel layer can be used.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Solvothermalsynthese handelt, die in einem wässrig/organischen Milieu in einem geschlossenen Druckgefäß, z.B. einem Edelstahl- oder Glasautoklaven, bei einer Temperatur von mindestens 100°C durchgeführt wird. Vorzugsweise liegt die Temperatur zwischen 100 und 200°C, bevorzugter zwischen 100 und 160°C. Wie UV/Vis- und Raman-spektroskopische Untersuchungen zeigen, erfolgt die Hydrolyse der Silicium- oder Metallalkoxide und Reduktion der Edelmetallverbindungen in der Regel schon in einem Temperaturbereich zwischen 100 und 120°C. Zur Umwandlung amorpher TiO2-Sole in photoaktive kristalline Anatas-Partikel reicht in der Regel eine Temperatur zwischen 120 und 140°C aus.The preparation process according to the invention is characterized in that it is a solvothermal synthesis which is carried out in an aqueous / organic medium in a closed pressure vessel, for example a stainless steel or glass autoclave, at a temperature of at least 100.degree. Preferably, the temperature is between 100 and 200 ° C, more preferably between 100 and 160 ° C. As UV / Vis and Raman spectroscopic studies show, the hydrolysis of the silicon or metal alkoxides occurs and reduction of the noble metal compounds usually already in a temperature range between 100 and 120 ° C. For the conversion of amorphous TiO 2 sols into photoactive crystalline anatase particles, a temperature between 120 and 140 ° C. is generally sufficient.

Die eingesetzten Drücke liegen typischerweise in einem Bereich von 2 bis 10 bar.The used pressures typically range from 2 to 10 bar.

Für die solvothermale Reaktion werden als Lösungsmittel mit Wasser mischbare organische Flüssigkeiten, vorzugsweise Ethanol, Methanol oder Aceton, eingesetzt, die zur Hydrolyse der Silicium- oder Metallalkoxide mit mindestens der äquivalenten Menge Wasser gemischt werden, so dass der Anteil Wasser zwischen 1-99 Gew.-% liegen kann. Es ist nicht erforderlich, den zur Reduktion der Edelmetallverbindungen erforderlichen Alkohol dem Reaktionsgemisch zuzusetzen, da durch die Hydrolyse der Silicium- oder Metallalkoxide während der Reaktion Alkohol gebildet wird. Somit läuft die Reduktionsreaktion auch in einem nichtalkoholhaltigen Lösungsmittel ohne Zugabe eines zusätzlichen Reduktionsmittels problemlos ab. Zur Beschleunigung der Hydrolyse können dem Reaktionsgemisch katalytische Mengen Säure oder Ammoniak bzw. Alkali zugesetzt werden.For the solvothermal Reaction are called solvents water-miscible organic liquids, preferably ethanol, Methanol or acetone used for the hydrolysis of the silicon or metal alkoxides mixed with at least the equivalent amount of water be so that the proportion of water between 1-99 wt .-% may be. It is not necessary to reduce the precious metal compounds required alcohol to the reaction mixture, as by the hydrolysis of the silicon or metal alkoxides during the Reaction alcohol is formed. Thus, the reduction reaction runs also in a non-alcoholic solvent without addition of a additional Reducing off easily. To speed up the hydrolysis can catalytic amounts of acid or ammonia or alkali are added to the reaction mixture become.

Die Edelmetallverbindungen werden im Verlauf des erfindungsgemäßen solvothermalen Prozesses zu kolloidalen Edelmetall-Partikeln reduziert und auf der Oberfläche der Oxidpartikel adsorbiert. Durch die Adsorption der Edelmetallpartikel auf der Oxid-Oberfläche wird eine hohe Stabilität der kolloidalen Lösung erreicht. Um diese zu gewährleisten (insbesondere bei hochkonzentrierten Solen), ist es in der Regel notwendig, dem Reaktionsgemisch bereits vor dem solvothermalen Prozeß Kolloidstabilisatoren zuzusetzen. Besonders geeignet erwiesen sich wasser- oder alkohollösliche polymere N- und/oder O-haltige Verbindungen wie Polyethylenoxid-Derivate, modifizierte Polysiloxane, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Celluloseether bzw. eine Reihe kommerzieller sulfonat-, phosphat- oder alkoxylat-gruppenhaltige Tenside oder deren Gemische in einem Anteil bis maximal 10 Gew.-%. Der erfindungsgemäß einsetzbare Kolloidstabilisator ist nicht gleichzusetzen mit einem Dispergiermittel und umfasst keine im Stand der Technik üblicherweise als Dispergiermittel verwendeten Verbindungen, insbesondere keine anorganischen Phosphatverbindungen wie Trinatriumphosphat und Pyrophosphat.The Precious metal compounds are solvothermal in the course of the invention Process reduced to colloidal precious metal particles and on the surface of the Adsorbed oxide particles. By the adsorption of the noble metal particles on the oxide surface becomes a high stability the colloidal solution reached. To ensure this (especially with highly concentrated sols), it is usually necessary, the reaction mixture before the solvothermal process colloid stabilizers add. Water- or alcohol-soluble polymers proved to be particularly suitable N- and / or O-containing Compounds such as polyethylene oxide derivatives, modified polysiloxanes, Polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone or cellulose ether or a A range of commercial sulfonate, phosphate or alkoxylate group-containing Surfactants or mixtures thereof in a proportion up to 10 wt .-%. The inventively usable Colloid stabilizer is not equivalent to a dispersant and does not include any commonly used as a dispersant in the art Compounds, in particular no inorganic phosphate compounds such as trisodium phosphate and pyrophosphate.

Die durch den solvothermalen Prozeß gebildeten stabilen edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Sole können unmittelbar nach der Herstellung zur Beschichtung von Materialoberflächen eingesetzt werden. Je nach Zusammensetzung eignen sich die Sole für unterschiedliche Anwendungen:

  • – insbesondere silberhaltige Oxid-Sole, aber auch andere edelmetallhaltige Oxid-Sole, können zur effektiven antimikrobiellen Ausrüstung von Materialoberflächen, vorzugsweise von Holz, Textilien und Kunststoffen eingesetzt werden (vgl. Beispiel 1);
  • – edelmetallhaltige SiO2-Sole, die durch co-kondensierte Alkylsilane oder Fluoralkylsilane modifiziert wurden, können zur eis- und wasserabweisenden Ausrüstung von Materialoberflächen eingesetzt werden (vgl. Beispiel 2);
  • – edelmetallhaltige TiO2-Sole (mit Ag-, Pt-, Ru- oder Pd-Partikeln dotiert) können zur Herstellung photoaktiver Beschichtungen mit photokatalytischen und photoelektrischen Eigenschaften eingesetzt werden, die z.B. zur Ausrüstung von selbstreinigenden Materialoberflächen oder zur Herstellung photovoltaischer Elemente dienen (vgl. Beispiel 3);
  • – edelmetallhaltige TiO2-Sole können zur Herstellung photoaktiver Beschichtungen genutzt werden, z.B. zur Ausrüstung von Materialoberflächen mit schaltbarem Benetzungsverhalten, die zur Herstellung von wiederverwendbaren Drucksystemen von großem Interesse sind (vgl. Beispiel 4). Hierbei wirkt sich insbesondere der Einbau der Edelmetallkatalysatoren (im Vergleich zum undotierten TiO2) vorteilhaft auf die Schalthöhe aus (vgl. Tabelle 3).
The stable noble metal-containing inorganic oxide sols formed by the solvothermal process can be used immediately after production for coating material surfaces. Depending on the composition, the sols are suitable for different applications:
  • - In particular silver-containing oxide sols, but also other noble metal-containing oxide sols, can be used for effective antimicrobial finishing of material surfaces, preferably of wood, textiles and plastics (see Example 1);
  • Noble metal-containing SiO 2 sols modified by co-condensed alkylsilanes or fluoroalkylsilanes can be used for ice and water-repellent finishing of material surfaces (see Example 2);
  • - noble metal-containing TiO 2 sols (doped with Ag, Pt, Ru or Pd particles) can be used for the production of photoactive coatings with photocatalytic and photoelectric properties, for example, to equip self-cleaning material surfaces or for the production of photovoltaic elements (see Example 3);
  • - Precious metal-containing TiO 2 sols can be used for the production of photoactive coatings, for example for the equipment of material surfaces with switchable wetting behavior, which are for the production of reusable printing systems of great interest (see Example 4). In particular, the incorporation of the noble metal catalysts (in comparison to undoped TiO 2 ) has an advantageous effect on the switching height (see Table 3).

Die vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten der erfindungsgemäß hergestellten edelmetallhaltigen Sole, bedingt durch deren Multifunktionalität, sind ein großer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Weitere Vorteile bestehen in folgendem:

  • – das einstufige Verfahren zur Herstellung edelmetallhaltiger anorganischer Oxid-Sole aus einfachen Laborchemikalien (z.B. Tetraethoxysilan und Silbernitrat) ersetzt die bislang erforderlichen und arbeitsaufwändigen 2 bis 3 separaten Arbeitsschritte (Sol-Herstellung, Herstellung und Stabilisierung der Edelmetall-Kolloide, gegebenenfalls Überführung eines amorphen Metalloxids (z.B. amorphes TiO2) in eine kristalline Modifikation (z.B. die photoaktive kristalline Anatas-Modifikation von TiO2), vermeidet den Zusatz externer Reduktionsmittel oder Antioxidantien, und führt zu einer drastischen Kosten- und Zeiteinsparung sowie Verbesserungen der Schichtqualität;
  • – die Herstellung der edelmetallhaltigen Sole ist in beliebigen Konzentrationen und Zusammensetzungen möglich und ergibt selbst in extremen Verdünnungen (wichtig z.B. zur Beschichtung von Textilien, Leder, Folien) und niedrigen Viskositäten eine homogene Verteilung der Edelmetall-Kolloide im Sol und in der Beschichtung;
  • – durch die Adsorption der Edelmetallpartikel auf der Oxid-Oberfläche wird eine hohe Stabilität der kolloidalen Lösung erreicht; die Sole zeigen darum unabhängig von der Konzentration eine ausgezeichnete Kolloidstabilität und die daraus hergestellten funktionellen Schichten unterscheiden sich in der Struktur und Wirksamkeit gegenüber Schichten, die aus Oxid-Solen, denen separat Edelmetallkolloide zugemischt wurden, hergestellt wurden;
  • – die edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Sole bilden auf beliebigen Materialoberflächen gut haftende Beschichtungen mit exzellenter antimikrobieller Aktivität (und bei Einsatz von TiO2 gleichzeitig hoher Photoaktivität).
The many possible uses of the precious metal-containing sols prepared according to the invention, due to their multifunctionality, are a great advantage over the prior art. Further advantages are the following:
  • - The one-step process for the preparation of noble metal-containing inorganic oxide brine from simple laboratory chemicals (eg tetraethoxysilane and silver nitrate) replaces the previously required and laborious 2 to 3 separate steps (sol production, production and stabilization of precious metal colloids, optionally transfer of an amorphous metal oxide ( eg amorphous TiO 2 ) in a crystalline modification (eg the photoactive crystalline anatase modification of TiO 2 ), avoids the addition of external reducing agents or antioxidants, and leads to drastic cost and time savings as well as improvements in film quality;
  • The preparation of the noble metal-containing sols is possible in any desired concentrations and compositions and, even in extreme dilutions (important, for example, for coating textiles, leather, Foils) and low viscosities, a homogeneous distribution of noble metal colloids in the sol and in the coating;
  • - By the adsorption of the noble metal particles on the oxide surface, a high stability of the colloidal solution is achieved; the sols therefore exhibit excellent colloidal stability regardless of concentration, and the functional layers made therefrom differ in structure and effectiveness from layers made from oxide sols to which noble metal colloids have been separately added;
  • - The noble metal-containing inorganic oxide sols form on any material surfaces well-adherent coatings with excellent antimicrobial activity (and when using TiO 2 at the same time high photoactivity).

Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch darauf zu beschränken.The The following examples are for closer explanation of the present invention, but without being limited thereto.

BEISPIEL 1EXAMPLE 1

Herstellung silberhaltiger antimikrobieller Oxid-BeschichtungenProduction of silver-containing antimicrobial oxide coatings

Die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden in einem Edelstahl-Autoklav der Fa. Büchi 1 h auf 120°C erhitzt. Mit den resultierenden homogenen braun-schwarzen Kolloidlösungen wurden Textilproben (20 × 20 cm2, Viskosegewebe) tauchbeschichtet und 1 h bei 120°C getrocknet. Nach einer 5fachen ECE-Normwäsche bei 40°C wurden die Proben hinsichtlich ihrer antimikrobiellen Wirkung gegenüber Bacillus subtilis getestet. Alle beschichteten Proben zeigten eine vollständige Hemmung des Bakterienwachstums.The compositions given in Table 1 were heated to 120 ° C. for 1 h in a stainless steel autoclave from Büchi. With the resulting homogeneous brown-black colloid solutions textile samples (20 × 20 cm 2 , viscose fabric) were dip-coated and dried at 120 ° C for 1 h. After a 5X ECE standard wash at 40 ° C, the samples were tested for their antimicrobial activity against Bacillus subtilis. All coated samples showed complete inhibition of bacterial growth.

Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der Reaktionsmischungen vor der Autoklavierung und die spezifische antimikrobielle Aktivität a der resultierenden Beschichtungen nach Autoklavieren und Beschichtung auf Viskosegewebe und 5facher ECE-Normwäsche bei 40°C. Tabelle 1

Figure 00110001

  • 1) a = log KBE (unbeschichtete Blindprobe, 24h) – log KBE (A-F beschichtete Probe, 24 h) KBE = (Bakterien-)Kolonie bildende Einheiten
  • 2) TE2OS = Tetraethoxysilan Si(OEt)4 (FLUKA)
  • 3) PVP = Polyvinylpyrrolidon (MERCK, Molgewicht 25000-30000)
  • 4) GLYEO = 3-Glycidyloxypropyl-triethoxysilan (FLUKA)
  • 5) MeTES = Methyltriethoxysilan (FLUKA)
  • 6) OTS = Octyltrimethoxysilan (FLUKA)
  • 7) BYK333 = Polyether-modifiziertes Dimethylpolysiloxan Copolymer (BYK Chemie GmbH Wesel)
  • 8) Klucel E = niedrigviskose Hydroxypropylcellulose (Aqualon GmbH)
Table 1 shows the composition of the reaction mixtures before autoclaving and the specific antimicrobial activity a of the resulting coatings after autoclaving and coating on viscose fabric and 5 times ECE standard wash at 40 ° C. Table 1
Figure 00110001
  • 1) a = log CFU (uncoated blank, 24h) - log CFU (AF coated sample, 24 h) CFU = (bacterial) colony forming units
  • 2) TE2OS = tetraethoxysilane Si (OEt) 4 (FLUKA)
  • 3) PVP = polyvinylpyrrolidone (MERCK, molecular weight 25000-30000)
  • 4) GLYEO = 3-glycidyloxypropyltriethoxysilane (FLUKA)
  • 5) MeTES = methyltriethoxysilane (FLUKA)
  • 6) OTS = octyltrimethoxysilane (FLUKA)
  • 7) BYK333 = polyether-modified dimethylpolysiloxane copolymer (BYK Chemie GmbH Wesel)
  • 8) Klucel E = low-viscosity hydroxypropylcellulose (Aqualon GmbH)

BEISPIEL 2EXAMPLE 2

Herstellung einer wasserabweisenden antimikrobiellen BeschichtungPreparation of a water-repellent antimicrobial coating

Die Beschichtungslösung D (Tabelle 1) wurde nach dem Autoklavieren durch Tauchbeschichtung (30 cm/min) auf Aluminiumblech (25 × 75 mm2) aufgetragen. Nach Tempern (1 h/120°C) resultiert eine gelbe klare Schicht mit stark wasserabweisender Wirkung (Kontaktwinkel gegenüber Wasser 93°).The coating solution D (Table 1) after autoclaving was dip coated (30 cm / min) on aluminum sheet (25 × 75 mm 2 ). After annealing (1 h / 120 ° C) results in a yellow clear layer with strong water-repellent effect (contact angle to water 93 °).

BEISPIEL 3EXAMPLE 3

Herstellung einer photokatalytischen edelmetallhaltigen TiO2-BeschichtungProduction of a photocatalytic noble metal-containing TiO 2 coating

Die in Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzungen wurde in einem Edelstahl-Autoklav der Fa. Büchi 1 h auf 140 00 erhitzt. Mit den resultierenden homogenen braun-schwarzen Kolloidlösungen wurden Glasproben tauchbeschichtet und 1 h bei 120°C getempert. Die photokatytische Wirkung wurde durch die lichtinduzierte Zerstörung einer aufgesprühten Octylsilanschicht (und des damit verbundenen Abfalls des Kontaktwinkels gegenüber Wasser) nachgewiesen.The in Table 2 compositions was in a stainless steel autoclave the company Büchi 1 h heated to 140 ° C. With the resulting homogeneous brown-black colloid solutions Glass samples were dip-coated and annealed at 120 ° C for 1 h. The photocatalytic effect was due to the light-induced destruction of a sprayed Octylsilane layer (and the associated decrease in the contact angle across from Water).

Tabelle 2 demonstriert den Nachweis der photokatalytische Wirkung von TiO2-Schichten, die aus Ag-, Pt- und Pd-haltigen Solen hergestellt wurden, anhand der mittels H2O-Randwinkelmessung verfolgten Oxidation einer Octyltrimethoxysilan-(OTS)-Schicht durch Einwirkung von UV-Strahlung. Tabelle 2

Figure 00130001

  • 1) UV-Mitteldruckstrahler (50 W/cm), Abstand der Proben zum UV-Strahler: 20 cm,
  • 2) Klucel E = niedrigviskose Hydroxypropylcellulose/Aqualon GmbH
  • 3) HCPt = Hexachloroplatinsäure-Hydrat/FLUKA
Table 2 demonstrates the photocatalytic effect of TiO2 layers prepared from Ag, Pt, and Pd-containing sols by the oxidation of an octyltrimethoxysilane (OTS) layer by UV irradiation by H 2 O edge angle measurement -Radiation. Table 2
Figure 00130001
  • 1) UV medium-pressure lamp (50 W / cm), distance of the samples to the UV lamp: 20 cm,
  • 2) Klucel E = low viscosity hydroxypropyl cellulose / Aqualon GmbH
  • 3) HCPt = hexachloroplatinic acid hydrate / FLUKA

BEISPIEL 4EXAMPLE 4

Herstellung einer schaltbaren edelmetallhaltigen TiO2-BeschichtungProduction of a Switchable Precious Metal-Containing TiO 2 Coating

Das Benetzungsverhalten der nach Tabelle 2 durch Tauchbeschichtung (30 cm/min) auf Glasträgern von 25 × 75 mm2 herge stellten Schichten gegenüber Wasser kann durch Bestrahlung mit einer MD-UV-Lampe stark erhöht werden (Abfall des Kontaktwinkels) und durch Temperung auf 20000 wieder regeneriert werden (vgl. Tabelle 3). Das Schaltverhalten kann beliebig wiederholt werden. Tabelle 3 Reversible Änderung des Kontaktwinkels edelmetallhaltiger TiO2-Beschichtungen auf Glas

Figure 00140001

  • 1) UV-Mitteldruckstrahler (50 W/cm), Abstand der Proben zum UV-Strahler: 20 cm
The wetting behavior of the layers produced according to Table 2 by dip coating (30 cm / min) on glass slides of 25 × 75 mm 2 against water can be greatly increased by irradiation with an MD-UV lamp (drop in the contact angle) and by annealing to 20,000 be regenerated again (see Table 3). The switching behavior can be repeated as desired. Table 3 Reversible change in the contact angle of noble metal-containing TiO 2 coatings on glass
Figure 00140001
  • 1) UV medium-pressure lamp (50 W / cm), distance of the samples to the UV lamp: 20 cm

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung von edelmetallhaltigen anorganischen Oxid-Solen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung der Sole durch Umsetzung einer ein anorganisches Oxid bildenden Vorläuferkomponente, die ein Siliciumalkoxid oder eine Mischung von Siliciumalkoxiden und/oder eine hydrolysierbare Metallverbindung oder eine Mischung hydrolysierbarer Metallverbindungen umfasst, und einer Edelmetall-Vorläuferkomponente, insbesondere in Anwesenheit eines Kolloidstabilisators, in einem Lösungsmittel, das Wasser und mindestens ein mit Wasser mischbares organisches Lösungsmittel umfasst, in einem geschlossenen Druckbehälter bei Temperaturen über 100°C erfolgt, wobei die Umsetzung die Hydrolyse der ein anorganisches Oxid bildenden Vorläuferkomponente und die gleichzeitige vollständige Reduktion der Edelmetallvorläufer-Komponente durch Alkohol zu elementarem Edelmetall umfasst.A process for the preparation of noble metal-containing inorganic oxide sols, characterized in that the formation of the sols by reacting an inorganic oxide-forming precursor component comprising a silicon alkoxide or a mixture of silicon alkoxides and / or a hydrolyzable metal compound or a mixture of hydrolyzable metal compounds, and a Precious metal precursor component, in particular in the presence of a colloidal stabilizer, in a solvent comprising water and at least one water-miscible organic solvent, in a closed pressure vessel at temperatures above 100 ° C, wherein the reaction, the hydrolysis of the inorganic oxide-forming precursor component and the simultaneous complete reduction of the noble metal precursor component by alcohol to elemental precious metal. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die ein anorganisches Oxid bildende Vorläuferkomponente Siliciumalkoxide der allgemeinen Struktur (R1O)4Si, R1O)3Si-R2 oder (R1O)2SiR2R2, wobei R1 einen Alkylrest mit 1-4 C-Atomen bedeutet und R2 einen Alkyl- oder Fluoralkylrest mit 1-16 C-Atomen bedeutet, wobei R2 ferner zusätzliche Alkoxy-, Epoxy-, Amino- oder Alkylaminogruppen oder andere O-, N- oder S-haltige funktionelle Gruppen als Substituenten enthalten kann, eingesetzt werden.A method according to claim 1, characterized in that as an inorganic oxide-forming precursor component silicon alkoxides of the general structure (R 1 O) 4 Si, R 1 O) 3 SiR 2, or (R 1 O) 2 SiR 2 R 2 wherein R 1 is an alkyl radical having 1-4 C atoms and R 2 is an alkyl or fluoroalkyl radical having 1-16 C atoms, wherein R 2 further comprises additional alkoxy, epoxy, amino or alkylamino groups or other O, N - or S-containing functional groups may contain as substituents used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die ein anorganisches Oxid bildende Vorläuferkomponente ein Metallalkoxid oder ein Gemisch von Metallalkoxiden, abgeleitet von Elementen der II.-V. Gruppe des Periodensystems, eingesetzt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized as the inorganic oxide-forming precursor component a metal alkoxide or a mixture of metal alkoxides derived of elements of the II.-V. Group of the Periodic Table, is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass als die ein anorganisches Oxid bildende Vorläuferkomponente ein Gemisch aus Siliciumalkoxiden und Metallalkoxiden, ein Gemisch aus unterschiedlichen Siliciumalkoxiden oder ein Gemisch aus unterschiedlichen Metallalkoxiden eingesetzt wird.Method according to one of claims 1-3, characterized as the inorganic oxide-forming precursor component a mixture of silicon alkoxides and metal alkoxides, a mixture from different silicon alkoxides or a mixture of different Metal alkoxides is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass als Edelmetall-Vorläuferkomponente Salze oder Komplexe von Au, Ag, Cu, Pt, Pd oder Ru in Konzentrationen von 0.1-20 Gew.-%, bezogen auf das Oxid im gebildeten Sol, eingesetzt werden.Method according to one of claims 1-4, characterized that as a noble metal precursor component Salts or complexes of Au, Ag, Cu, Pt, Pd or Ru in concentrations of 0.1-20 wt .-%, based on the oxide in the sol formed, used become. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasseranteil im Lösungsmittel zwischen 1-99 Gew.-% liegt.Method according to one of claims 1-5, characterized in that that the water content in the solvent between 1-99% by weight. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kolloidstabilisatoren Wasser- oder alkohollösliche polymere N- und/oder O-haltige Verbindungen, z.B. Polyethylenoxid-Derivate, modifizierte Polysiloxane, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Celluloseether, oder sulfonat-, phosphat- oder alkoxylat-gruppenhaltige Tenside oder deren Gemische bis maximal 10 Gew.-%, bezogen auf das Oxid im gebildeten Sol, eingesetzt werden.Method according to one of claims 1-6, characterized that as colloid stabilizers water or alcohol-soluble polymeric N and / or O-containing compounds, e.g. Polyethylene oxide derivatives, modified Polysiloxanes, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone or cellulose ethers, or sulfonate, phosphate or alkoxylate group-containing surfactants or mixtures thereof to a maximum of 10 wt .-%, based on the oxide in the formed sol, be used. Edelmetallhaltiges anorganisches Oxid-Sol, das Edelmetallpartikel auf der Oberfläche von Oxidpartikeln, bestehend aus Siliciumoxid, einem Metalloxid oder einer Mischung von Siliciumoxid und einem Metalloxid, adsorbiert enthält, erhalten nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7.Noble metal-containing inorganic oxide sol, the noble metal particle on the surface of oxide particles consisting of silica, a metal oxide or a mixture of silica and a metal oxide adsorbed contains obtained by the method according to any one of claims 1-7. Edelmetallhaltiges anorganisches Oxid-Sol nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kolloidstabilisator umfasst.Precious metal-containing inorganic oxide sol according to claim 8, characterized in that it comprises a colloid stabilizer. Edelmetallhaltiges Oxid-Sol nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein TiO2-haltiges Sol handelt.Precious metal-containing oxide sol according to claim 8 or 9, characterized in that it is a TiO 2 -containing sol. Edelmetallhaltiges Oxid-Sol nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an TiO2 in der Oxidkomponente ≥ 50 Gew.-% ist.Noble metal-containing oxide sol according to claim 10, characterized in that the proportion of TiO 2 in the oxide component ≥ 50 wt .-% is. Edelmetallhaltiges Oxid-Sol nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidkomponente 60-80 Gew.-% TiO2 und 40-20 Gew.-% SiO2 umfasst.A noble metal-containing oxide sol according to claim 11, characterized in that the oxide component comprises 60-80 wt .-% TiO 2 and 40-20 wt .-% SiO 2 . Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 8-12 zur Beschichtung und Funktionalisierung von Materialoberflächen.Use of the sols according to any one of claims 8-12 for the coating and functionalization of material surfaces. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 8-12 zur antimikrobiellen Ausrüstung von Materialoberflächen, vorzugsweise von Holz, Textilien und Kunststoffen.Use of the sols according to any one of claims 8-12 for antimicrobial equipment of material surfaces, preferably of wood, textiles and plastics. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 8-12 zur eis- und wasserabweisenden Ausrüstung sowie zur öl- und schmutzabweisenden Ausrüstung von Materialoberflächen.Use of the sols according to any one of claims 8-12 for ice and water repellent equipment as well as for oil and dirt repellent equipment of material surfaces. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 8-12 zur Ausrüstung von Materialoberflächen mit schaltbarem Benetzungsverhalten.Use of the sols according to any one of claims 8-12 to the equipment of material surfaces with switchable wetting behavior. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 8-12 zur Ausrüstung von Materialoberflächen mit photokatalytischen und photoelektrischen Eigenschaften.Use of the sols according to any one of claims 8-12 to the equipment of material surfaces with photocatalytic and photoelectric properties. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 10-12 zur Herstellung von schaltbaren Druckplatten.Use of the sols according to any one of claims 10-12 for the production of switchable printing plates. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 10-12 zur Ausrüstung von selbstreinigenden Materialoberflächen.Use of the sols according to any one of claims 10-12 to the equipment of self-cleaning material surfaces. Verwendung der Sole nach einem der Ansprüche 10-12 zur Herstellung photovoltaischer Elemente.Use of the sols according to any one of claims 10-12 for the production of photovoltaic elements.
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