DE102006017582A1 - Process for the preparation of metal fluoride sols and gels - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metallfluorid-Solen und -Gelen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Metalls, b) Bereitstellen einer Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwässrigen Lösungsmittel und c) Umsetzen des Metalls mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwässrigen Lösungsmittel zur Ausbildung eines Metallfluorid-Sols.The present invention relates to a method for producing metal fluoride sols and gels, comprising the steps of: a) providing a metal, b) providing a solution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent and c) reacting the metal with the solution of hydrogen fluoride in one non-aqueous solvent to form a metal fluoride sol.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols oder eines Metallfluorid-Gels sowie dessen Verwendung.The The present invention relates to a process for producing a Metal fluoride sols or a metal fluoride gel and its use.
Metallfluoride sind für die chemische, pharmazeutische und Keramikindustrie von großer Bedeutung. Insbesondere sind anorganische Materialien mit einer großen Oberfläche von zentraler Bedeutung beispielsweise bei der heterogenen Katalyse, wo die Aktivität eines Katalysators im hohen Maßen von seiner Oberfläche abhängt.metal fluorides are for the chemical, pharmaceutical and ceramics industries are of great importance. In particular, inorganic materials having a large surface area of of central importance, for example in heterogeneous catalysis, where the activity a catalyst in the high degree from its surface depends.
Die
Herstellung von Metallfluoriden kann über die Sol-Gel-Route erfolgen.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
Bei
dem in der europäischen
Patentanmeldung
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols und eines Metallfluorid-Gels bzw. ein Verfahren zur Herstellung von einem amorphen Metallfluorid bereitzustellen.Of the The present invention is therefore based on the object, a method for the preparation of a metal fluoride sol and a metal fluoride gel or to provide a process for producing an amorphous metal fluoride.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Metallfluoride mit einer großen Oberfläche, bevorzugterweise einer Oberfläche von oder von mehr als 180 m2/g bereitzustellen, beispielsweise zur Verwendung als Katalysator. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Beschichtung auf der Grundlage von amorphem Metallfluorid und damit beschichtete Gegenstände bereitzustellen.It is a further object of the present invention to provide metal fluorides having a high surface area, preferably a surface area of, or greater than, 180 m 2 / g, for example, for use as a catalyst. It is another object of the present invention to provide a coating based on amorphous metal fluoride and articles coated therewith.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt gelöst durch ein Metallfluorid-Sol und ein Metallfluorid-Gel umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines Metalles,
- b) Bereitstellen einer Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwäßrigen Lösungsmittel, und
- c) Umsetzen des Metalles mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwässrigen Lösungsmittel zur Ausbildung eines Metallfluorid-So1s.
- a) providing a metal,
- b) providing a solution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent, and
- c) reacting the metal with the solution of hydrogen fluoride in a nonaqueous solvent to form a metal fluoride sol.
In einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall ein Metall der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe oder einer Nebengruppe des Periodensystems ist, wobei das Redoxpotential des Metalls im jeweiligen Lösungsmittel negativer ist als das von H2.In one embodiment of the first aspect it is provided that the metal is a metal of the second, third or fourth main group or a subgroup of the periodic table, wherein the redox potential of the metal in the respective solvent is more negative than that of H 2 .
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Aluminium, Zink, Blei, Seltene Erden umfasst.In a preferred embodiment of the first aspect is provided that the metal from the group selected magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, zinc, Lead, rare earth includes.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die Magnesium und Aluminium umfasst.In a preferred embodiment of the first aspect is provided that the metal from the group selected which includes magnesium and aluminum.
In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem auf Fluorwasserstoff bezogen stöchiometrischen Verhältnis oder mit einem Überschuss an Fluorwasserstoff umgesetzt wird.In a further embodiment of the first aspect, it is provided that the metal with the solution of Hydrogen fluoride in a stoichiometric based on hydrogen fluoride relationship or with a surplus is reacted on hydrogen fluoride.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Alkohol ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Methanol, Ethanol, Propanol, iso-Propanol, Butanol, iso-Butanol, tert.-Butanol, Methoxyethanol, Ethoxyethanol umfasst.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the non-aqueous solvent an alcohol is selected is from the group comprising methanol, ethanol, propanol, isopropanol, Butanol, iso-butanol, tert-butanol, methoxyethanol, ethoxyethanol includes.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass der Alkohol bis zu 4% Wasser enthält.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the alcohol up to 4% water contains.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Ether oder ein Keton oder ein Sulfoxid ist.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the non-aqueous solvent an ether or a ketone or a sulfoxide.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die Umsetzung von Schritt c) bei Raumtemperatur und Standarddruck erfolgt.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the implementation of step c) at room temperature and standard pressure.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel einen Gehalt an Lösungsmittel von 50 Mol% bis 99,9 Mol%, bevorzugterweise von 70 Mol% bis 99 Mol% aufweist.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the metal fluoride sol or Metal fluoride gel has a solvent content of 50 mol% up 99.9 mol%, preferably from 70 mol% to 99 mol%.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall eine Legierung oder Mischung aus zwei oder mehr Metallen ist.In a still further embodiment of the first aspect, it is provided that the metal is an alloy or mixture of two or more metals.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel, erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.In In a second aspect of the invention, the object is achieved by a metal fluoride sol or metal fluoride gel, obtainable according to a method according to the invention.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass es weiterhin den Schritt umfasst:
- d) Entfernung der volatilen Bestandteile aus dem in Schritt c) erhaltenen Reaktionsproduktes.
- d) removal of the volatile constituents from the reaction product obtained in step c).
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die volatilen Bestandteile durch eine Hitzebehandlung entfernt werden.In a preferred embodiment of the first aspect, it is provided that the volatile constituents be removed by a heat treatment.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 30 bis 500°C, bevorzugterweise von 70 bis 250°C erfolgt.In a preferred embodiment of the first aspect, it is provided that the heat treatment at a temperature of 30 to 500 ° C, preferably from 70 to 250 ° C he follows.
In einer alternativen Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die Hitzebehandlung im Vakuum bei einem Druck von 800 bis 10–3 mbar, bevorzugterweise von 100 bis 10–1 mbar erfolgt.In an alternative embodiment of the first aspect, it is provided that the heat treatment takes place in vacuo at a pressure of 800 to 10 -3 mbar, preferably from 100 to 10 -1 mbar.
In einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Verfahren ein Verfahren zur Herstellung eines amorphen Metallfluorids ist.In an embodiment of the first aspect, it is provided that the method is a method for Preparation of an amorphous metal fluoride is.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein amorphes Metallfluorid, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere durch eine Verfahren gemäß dem ersten Aspekt erhältlich ist.In In a third aspect of the invention, the object is achieved by an amorphous metal fluoride obtained by a method according to the invention, in particular obtainable by a method according to the first aspect.
In einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche, bevorzugterweise zum Filmbeschichten einer Oberfläche, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen einer Oberfläche,
- b) Bereitstellen eines Metallfluorid-Sols oder Metallfluorid-Gels
- c) Beschichten des Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols auf eine Oberfläche und
- d) optional Entfernen des Lösungsmittels aus dem Sol oder Gel.
- a) providing a surface,
- b) providing a metal fluoride sol or metal fluoride gel
- c) coating the metal fluoride gel or metal fluoride sol on a surface and
- d) optionally removing the solvent from the sol or gel.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vierten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metallfluorid-Sol oder das Metallfluorid-Gel durch ein Verfahren nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bereitgestellt wird oder ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.In a preferred embodiment of the fourth aspect, it is provided that the metal fluoride sol or the metal fluoride gel is provided by a method according to one embodiment of the invention or a metal fluoride sol or metal fluoride gel after a inventive embodiment is.
In einem fünften Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Metallfluorid-Sol oder -Gel nach den zweiten Aspekt für die Herstellung einer Beschichtung, bevorzugterweise einer Schutzbeschichtung, einer Antireflexionsbeschichtung oder einer katalytisch aktiven Schicht auf einem geeigneten Träger.In a fifth Aspect of the invention, this object is achieved by a metal fluoride sol or gel according to the second aspect for the production of a coating, preferably a protective coating, an anti-reflection coating or a catalytically active layer on a suitable support.
In einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Metallfluorids nach dem dritten Aspekt, für die Herstellung von Keramiken, bevorzugterweise durchsichtiger Keramiken.In a sixth aspect of the invention, the object is achieved by the use of a metal fluoride according to the third aspect, for the preparation of ceramics, preferably transparent ceramics.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols nach den zweiten Aspekt für die Herstellung von mit Metallfluorid beschichteten Fasern oder Wellenleitern.In In a further aspect of the invention, the object is achieved by the use of a metal fluoride gel or metal fluoride sol after the second aspect for the production of metal fluoride coated fibers or Waveguides.
In einem siebten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Gegenstand umfassend ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach dem zweiten Aspekt, wobei der Gegenstand ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Glassscheiben, Kathodenstrahlröhren, Flüssigkristallanzeigen, Metalloberflächen und Linsen.In a seventh aspect of the invention, the object is achieved by an article comprising a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to the second aspect, wherein the article is selected from the group comprising glass panes, cathode ray tubes, liquid crystal displays, metal surfaces and lenses.
Diese und weitere der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These and further objects underlying the present invention are also solved by the subject matter of the independent claims. preferred embodiments arise from the dependent ones Claims.
Die vorliegenden Erfinder haben überraschend festgestellt, dass statt der Verwendung von Metallverbindungen mit einer koordinativ gebundenen organischen Gruppe auch Metalle direkt als Edukte für die Erzeugung eines Metallfluorid-Sols oder -Gels verwendet werden können, die dann ihrerseits wiederum zur Herstellung eines amorphen Metallfluorids gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Gemäß der von den vorliegenden Erfindern bereitgestellten technischen Lehre soll, vorzugsweise, die bei dieser Reaktion eingesetzte Lösungsmittelmenge, bezogen auf die Metallmenge, so groß sein, dass das Produkt flüssig, d. h. ein Sol ist und nicht ein festes Gel. Anderenfalls könnte die Umsetzung so stark durch das entstehende Gel behindert werden, dass sie nicht vollständig abläuft. Das solchermaßen erhaltene Sol kann problemlos aufkonzentriert werden, um ein Gel zu erhalten, sofern die Notwendigkeit für die Herstellung eines Gels besteht.The present inventors have surprising found that instead of using metal compounds with a coordinatively bonded organic group also metals directly as starting materials for the production of a metal fluoride sol or gel can be used can, then in turn for the production of an amorphous metal fluoride according to the present Invention can be used. According to the of is intended to teach the present inventors, preferably, the amount of solvent used in this reaction, based on the amount of metal, be so large that the product is liquid, d. H. a sol is and not a solid gel. Otherwise, the Implementation so strongly hampered by the resulting gel that it does not completely run out. The thus sol obtained can be easily concentrated to a gel provided the need for the preparation of a gel consists.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das als Lösungsmittel für den Fluorwasserstoff dienende nichtwässrige Lösungsmittel so stark solvatisierend wirkt, dass das Metallfluorid als Sol in Lösung überführt wird. Dies konnte aufgrund der bisherigen Beobachtungen und Annahmen des Standes der Technik aus den folgenden Gründen nicht erwartet werden.The present invention is further based on the surprising finding that, in the context of the process according to the invention, the nonaqueous solvent serving as solvent for the hydrogen fluoride acts so strongly solvating that the metal fluoride is converted into solution as a sol. This could be due to the previous Beo not to be expected from the following reasons.
Bei
der Umsetzung eines Metalls mit Fluorwasserstoffsäure kommt
es häufig
nur zu einer Oberflächenreaktion
des Metalls, da das gebildete unlösliche Metallfluorid das darunter
liegende Metall vor weiterem Angriff schützt. Dieser Vorgang ist als „Passivierung" bekannt und wird
z. B. bei Aluminium und Magnesium oder auch Eisen beobachtet. Im
Gegensatz dazu führt
die Verwendung von wässriger
Fluorwasserstofflösung,
die auch als Flusssäure
bezeichnet wird, häufig
zu einem fortschreitenden Angriff, da sich das gebildete Metallfluorid
im Wasser löst.
Wird jedoch Wasser durch ein nichtwässriges Lösungsmittel wie beispielsweise
Alkohol ersetzt, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelehrt,
so war ein analo ges Verhalten insoweit nicht zu erwarten, als dass
sich die infragestehenden Metallfluoride und insbesondere weder
Aluminiumfluorid noch Magnesiumfluorid in einem nichtwässrigen
Lösungsmittel
lösen.
Weiter gilt es zu beachten, dass das bei der Umsetzung von Metallalkoxid
mit HF in Alkohol, wie dies beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
Wie hierin in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet bezeichnet der Begriff des nicht-wässrigen Lösungsmittel ein Lösungsmittel, das frei ist von Wasser, bevorzugterweise im Wesentlichen frei ist von Wasser. Es ist jedoch auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass in einigen Ausführungsformen Wasser in dem nicht-wässrigen Lösungsmittel vorhanden ist, wobei der Umfang des Wassergehaltes jedoch so ist, dass die vorstehend beschriebene Reaktion und insbesondere die Ausbildung des Metallfluorids-Sols wie hierin offenbart, nicht oder nicht wesentlich beeinflusst wird. Derartige Mengen von Wasser können, beispielsweise, dadurch bedingt werden, dass der für die Umsetzung benötigte Fluorwasserstoff als hochkonzentrierte, beispielsweise 70%-ige, wässrige Lösung dem nicht-wässrigen System zugesetzt wird, insbesondere wenn es sich bei dem nicht-wässrigen System um ein alkoholisches Lösungsmittel oder Lösungsmittelsystem handelt.As herein in a preferred embodiment used the term non-aqueous solvent, a solvent, the is free of water, preferably substantially free of Water. However, it is also within the scope of the present invention, that in some embodiments Water in the non-aqueous solvent is present, but the extent of the water content is such that the reaction described above and in particular the training the metal fluoride sol as disclosed herein, not or not essential being affected. Such amounts of water can, for example, thereby conditional that the for the implementation needed Hydrogen fluoride as highly concentrated, for example 70%, aqueous solution the non-aqueous System is added, especially if it is in the non-aqueous System to an alcoholic solvent or solvent system is.
Nicht zuletzt infolge dieses Reaktionsmechanismus können als Metalle im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Metalle und Gemische bzw. Legierungen aus solchen Metallen verstanden werden, deren Redoxpotential im jeweiligen nichtwässrigen Lösungsmittel geringer als dem von Wasserstoff ist, d. h. die unedler als Wasserstoff sind.Not last as a result of this reaction mechanism can be used as metals in the sense of present invention, all metals and mixtures or alloys be understood from such metals whose redox potential in respective non-aqueous solvent less than that of hydrogen, d. H. the less noble than hydrogen are.
Auf
der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols und eines Metallfluorid-Gels kann
sodann ein amorphes Metallfluorid mit den hierin beschriebenen Eigenschaften
hergestellt werden. Dazu wird von dem Metallfluorid-Sol ausgegangen,
dessen volatile Bestandteile wie beispielsweise das nichtwässrige Lösungsmittel
entfernt wird, bevorzugterweise unter Vakuum, wodurch üblicherweise
ein Feststoff erhalten wird. Dieser Feststoff entspricht in seinen
Einsatzmöglichkeiten
dem gemäß
Das
solchermaßen
erhaltene amorphe Metallfluorid kann mit jedem der in
Das so erhaltene katalytisch aktive Festmaterial behält die amorphe Röntgenstruktur bei und weist eine sehr hohe spezifische Oberfläche und eine verzerrte Struktur verglichen mit der kristallinen Form des entsprechenden Metallfluorids auf. Diese Störung ist für die beobachtete ausgesprochen hohe Lewis-Azidität von Lewis-Säuremetallen, wie sie in dem amorphen Metallfluorid gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind, verantwortlich.The The resulting catalytically active solid material retains the amorphous X-ray structure and has a very high specific surface area and a distorted structure compared with the crystalline form of the corresponding metal fluoride on. This disorder is for the observed extremely high Lewis acidity of Lewis acid metals, as in the amorphous metal fluoride according to the present invention are responsible.
Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumfluorid- oder Aluminiumfluorid-Solen und -Gelen kann die vorliegende Technik insbesondere auch für solche Metalle verwendet werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind umfassend Cr, Fe, V, Ga, Pb, Ca, Ba und Zn. Entsprechend sind die Verfahren, die hierin detaillierter für Magnesium bzw. Aluminium beschrieben sind, auch auf entsprechende Fluoride dieser Metalle anwendbar.Next the use of the method according to the invention for the preparation of magnesium fluoride or aluminum fluoride sols and gels, the present technique especially for such Metals are used, which are selected from the group comprising Cr, Fe, V, Ga, Pb, Ca, Ba and Zn Processes more detailed herein for magnesium and aluminum, respectively also to corresponding fluorides of these metals applicable.
Darüber hinaus ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Metallfluorid auch ein gemischtes Metallfluorid sein kann.Furthermore It is within the scope of the present invention that the metal fluoride may also be a mixed metal fluoride.
Das gemäß der Erfindung hergestellte amorphe Metallfluorid ist Röntgen-amorph. Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff Röntgen-amorph, dass die mikrokristallinen Domänen des Feststoffes, d. h. des amorphen Metallfluorids, eine Größe von weniger als 20 nm aufweisen. Eine transmissionselektronenmikroskopische Studie bestätigte bei einer Vergrößerung von 107, dass das amorphe Metallfluorid gemäß der vorliegenden Erfindung wie beispielsweise AlF3 in Form sehr kleiner Feststoffpartikel vorliegt, die teilweise agglomeriert sind, um größere Einheiten auszubilden. Weitere rasterelektronenmikroskopische Studien ergaben eine mesoporöse Oberfläche des amorphen Metallfluorides gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Besonderheiten der Morphologie und die Porenstruktur des amorphen Metallfluorids gemäß der Erfindung führen zu einer erheblichen Erhöhung der katalytisch aktiven Oberfläche und somit der katalytischen Aktivität.The amorphous metal fluoride prepared according to the invention is X-ray amorphous. As used herein, the term X-ray amorphous means that the microcrystalline domains of the solid, ie, the amorphous metal fluoride, are less than 20 nm in size. A transmission electron microscopic study confirmed, at a magnification of 10 7 , that the amorphous metal fluoride according to the present invention, such as AlF 3, is in the form of very small solid particles that are partially agglomerated to form larger units. Further scanning electron microscopic studies revealed a mesoporous surface of the amorphous metal fluoride according to the present invention. The peculiarities of the morphology and the pore structure of the amorphous metal fluoride according to the invention lead to a considerable increase of the catalytically active surface and thus of the catalytic activity.
BET-Messungen unter Verwendung von N2, wie sie in der Technik bekannt sind und beispielsweise mit einem ASAP2001-Gerät (Micromeritics) bei 77 K bestimmt werden, führen zu Oberflächenwerten von > 250 m2/g. Auch Festkörper-NMR-Studien des zentralen Al-Atoms, können verwendet werden, um die Nahordnung am Aluminium zu bestimmen und zwischen verschiedenen Al-Spezies zu unterscheiden. Die stark gestörte Ordnung des AlF3-Gitters sind für den Röntgen-amorphen Zustand des Feststoffes, d. h. des amorphen Metallfluorides gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie für die erwünschte und beabsichtigte Erhöhung der katalytischen Aktivität verantwortlich. Die stark gestörte Gitterstruktur des amorphen Metallfluorids gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch durch IR-spektroskopische Studien bestätigt. Der experimentelle Nachweis einer erhöhten Lewis-Azidität kann durch Pyridin-Adsorption und NH3-TPD, wie im Stand der Technik beschrieben, erbracht werden.BET measurements using N 2 , as known in the art and determined, for example, with an ASAP2001 instrument (Micromeritics) at 77 K, give surface values of> 250 m 2 / g. Solid-state NMR studies of the central Al atom can also be used to determine the proximity order on aluminum and differentiate between different Al species. The greatly disordered AlF 3 lattice order is responsible for the X-ray amorphous state of the solid, ie, the amorphous metal fluoride of the present invention as well as the desired and intended increase in catalytic activity. The strongly disordered lattice structure of the amorphous metal fluoride according to the present invention is also confirmed by IR spectroscopic studies. The experimental evidence of increased Lewis acidity can be provided by pyridine adsorption and NH 3 -TPD as described in the prior art.
Die katalytisch aktiven Metallfluoride gemäß der vorliegenden Erfindung sind bei Reaktionen anwendbar, wo auch Metallfluoride des Standes der Technik verwendet werden können. Darüber hinaus können die katalytisch aktiven Metallfluoride verwendet werden für die Katalyse von Halogen-Austauschreaktionen, wobei die Austauschreaktionen von Chlorkohlenwasserstoffen, Chlorfluorkohlenwasserstoffen und Fluorkohlenwasserstoffen besonders bevorzugt sind. Auch können die katalytisch aktiven Metallfluoride in irgendeiner katalytischen Reaktion verwendet werden, wo ein Lewis-Säurekatalysator verwendet wird. Weitere bevorzugte Reaktionen, die unter Verwendung der katalytisch aktiven Metallfluoride der vorliegenden Erfindung katalysiert werden können, sind die Isomerisierung von Haloperfluoralkanen, wobei die Haloperfluoralkane bevorzugterweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Chlor/Brom-Fluorethanen und -Propanen, die Isomerisierung von Olefinen, wobei die Olefinisomerisierung bevorzugterweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alken-1- zu Alken-2-, beispielsweise Buten-1- zu Buten-2-Isomerisierungen, bei der Friedel-Crafts-Acylierungsreaktionskatalyse, wobei die Acylierungsreaktion bevorzugterweise jene sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Benzoylierung/Acetylierung von aktivierten ebenso wie deaktivierten aromatischen Systemen, sowie bei Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktionen, wobei die Alkylierungsreaktionen bevorzugterweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus der Alkylierung von aromatischen Ringen.The catalytically active metal fluorides according to the present invention are applicable to reactions where also metal fluorides of the prior art the technique can be used. About that can out the catalytically active metal fluorides are used for catalysis of halogen exchange reactions, the exchange reactions of chlorinated hydrocarbons, Chlorofluorocarbons and fluorocarbons particularly are preferred. Also can the catalytically active metal fluorides in any catalytic Reaction can be used where a Lewis acid catalyst is used. Other preferred reactions using the catalytic active metal fluorides of the present invention can be catalyzed the isomerization of haloperfluoroalkanes, the haloperfluoroalkanes preferably selected are selected from the group consisting of chlorine / bromine fluoroethanes and propanes, the isomerization of olefins, wherein the olefin isomerization preferably selected is selected from the group consisting of alkene-1 to alkene-2, for example Butene-1 to butene-2 isomerizations, in Friedel-Crafts acylation reaction catalysis, wherein the acylation reaction are preferably those selected from the Group selected are composed of benzoylation / acetylation of activated as well such as deactivated aromatic systems, as well as in Friedel-Crafts alkylation reactions, wherein the alkylation reactions are preferably selected from the group consisting of the alkylation of aromatic rings.
Die nach dem Verfahren erhaltenen amorphen Metallfluorid-Pulver können zu transparenten Keramiken gepresst werden, beispielsweise für Anwendungen im optischen Bereich. Verfahren zum Herstellen von Keramiken sind in der Technik bekannt und beispielsweise beschrie ben in J. Lucas, F. Smektala, J.L. Adam, Fluorine in Optics, in J. Fluorine Chem. 114 (2002), 113-118.The amorphous metal fluoride powders obtained by the process can be pressed into transparent ceramics, for example for applications in the optical field. Methods for producing ceramics are known in the art and described, for example, in J. Lucas, F. Smektala, JL Adam, Fluorine in Optics, in J. Fluori Chem. 114 (2002), 113-118.
Der erfindungsgemäß hergestellte Sol-Zustand der Metallfluoride kann zur Erzeugung dünner amorpher Metallfluoridschichten auf unterschiedlichen Unterlagen, wie beispielsweise Si, SiO2, Metall oder Polymermaterial durch Dip-Coating, Spin-Coating oder andere bekannte Verfahren genutzt werden. Die entsprechenden Verfahren sind in der Technik bekannt und beispielsweise beschrieben in C. J. Brinker und G. W. Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.The sol state of the metal fluorides prepared according to the invention can be used to produce thin amorphous metal fluoride layers on different substrates, such as Si, SiO 2 , metal or polymer material by dip coating, spin coating or other known methods. The corresponding methods are known in the art and described, for example, in CJ Brinker and GW Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.
Beispiel 1: Herstellung von methanolischem AluminiumfluoridgelExample 1: Preparation of methanolic aluminum fluoride gel
Aluminiumfolie
(0,27 g; 0,01 mol) wurde mit einer sehr kleinen Menge Quecksilber
(Kugel von ca. 0,5 mm Durchmesser) in Kontakt gebracht. Zu dem amalgamierten
Aluminium wurden in einem Kunststoffgefäß 7,5 ml einer 4,4 molaren
methanolischen Fluorwasserstofflösung
(0,033 mol) gegeben und mit wasserfreiem Methanol auf 25 ml aufgefüllt. Der
Ansatz wurde bei Zimmertemperatur gerührt; dabei löste sich
während
48 h das Aluminium auf. Die entstandene farblose, gering viskose
Flüssigkeit
konnte von der nichtumgesetzten Quecksilberkugel leicht abgetrennt
werden. Der nach dem Abziehen von Methanol im Vakuum bei 70° C erhaltene
weiße
Feststoff entsprach in seinem Fluor- und Kohlenstoffgehalt und seinem
Verhalten bei der Thermoanalyse völlig der technischen Lehre
von
Beispiel 2: Herstellung von AluminiumfluoridbeschichtungenExample 2: Preparation of aluminum fluoride coatings
5,4 g Al-Pulver (0,2 mol) werden unter Rühren zu 75 mL einer 16%igen HF/CH3OH-Lösung (0,6 mol) gegeben. Zur Vervollständigung der Reaktion werden nach 3 h noch 30 mL CH3OH und 30 mg HgCl2 hinzugefügt. Nach weiterem Rühren und anschließendem Filtrieren wird eine klare Sol-artige Lösung von solvatisiertem AlF3 erhalten, die im 19F-NMR Spektrum die charakteristischen Peaks bei -164 ppm und -174 ppm zeigt.
- a) Zur Erzeugung einer AlF3-Schicht auf einer Si-Oberfläche wird die erhaltene Sol-Lösung mittels Spin-Coating (bei 5000 rpm) aufgetragen und 3 h bei 25°C und 1 h bei 300°C getrocknet. Die Oberfläche wurde durch Kraftfeld-Mikroskopie und Ellipsometrie charakterisiert, wobei eine Schichtdicke von 50-60 nm ermittelt wurde.
- b) Sphärische α-Al2O3 Pellets (o ca.
3 mm) werden mit dem solchermaßen
erhaltenen AlF3-Sol imprägniert. Nach dem Trocknen bei
Temperaturen von 25-50°C
werden die Pellets wie in
EP 04700458.5 EP 04700458.5 - c) Aus dem solchermaßen erhaltenen AlF3-Sol, das durch die Formel AlF3·n(CH3OH) beschrieben werden kann, mit n ≈ 16, wird durch Erhitzen im Vakuum (120°C, 0,1 mbar, 6 h) das Lösungsmittel entfernt, wobei ein weißes Pulver von AlF3 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,9% erhalten wird. Das so erhaltene Aluminiumfluorid ist Röntgen-amorph und weist eine spezifische Oberfläche von 252 m2/g auf.
- a) To produce an AlF 3 layer on a Si surface, the resulting sol solution is applied by spin coating (at 5000 rpm) and dried at 25 ° C for 3 h and at 300 ° C for 1 h. The surface was characterized by force field microscopy and ellipsometry, whereby a layer thickness of 50-60 nm was determined.
- b) Spherical α-Al 2 O 3 pellets (about 3 mm diameter) are impregnated with the AlF 3 sol thus obtained. After drying at temperatures of 25-50 ° C, the pellets as in
EP 04700458.5 EP 04700458.5 - c) From the thus obtained AlF 3 sol, which can be described by the formula AlF 3 .n (CH 3 OH), with n ≈ 16, by heating in vacuo (120 ° C, 0.1 mbar, 6 h ) The solvent is removed to give a white powder of AlF 3 having a carbon content of 0.9%. The aluminum fluoride thus obtained is X-ray amorphous and has a specific surface area of 252 m 2 / g.
Die Abgabe von Methanol wurde auch quantitativ durch Thermoanalyse verfolgt, wobei ein Gewichtsverlust der Probe von 15,6% durch Thermogravimetrie und differentielle Thermogravimetrie festgestellt wurde. Die thermischen Effekte waren endotherm.The Release of methanol was also monitored quantitatively by thermal analysis, wherein a weight loss of the sample of 15.6% by thermogravimetry and differential thermogravimetry was detected. The thermal Effects were endothermic.
Beispiel 3: Herstellung von methanolischem MagnesiumfluoridgelExample 3: Production of methanolic magnesium fluoride gel
In einem Kunststoffgefäß wurden Magnesium-Späne mit 75 mL einer 2 molaren methanolischen Fluorwasserstoff-Lösung versetzt und bei Zimmertemperatur gerührt. Nach 2 Tagen wurde vom grauen Bodensatz dekantiert. Aus der farblosen überstehenden Lösung wurde nach Abziehen des überschüssigen Methanols im Vakuum ein nahezu weißer Feststoff erhalten, der eine spezifische Oberfläche (BET/N2) von 348 m2/g hatte. Trotz der großen Oberfläche zeigte die Probe im Röntgen-Pulverdiffraktorgramm deutliche, wenn auch breite Reflexe eines MgF2.In a plastic vessel, magnesium chips were mixed with 75 ml of a 2 molar methanolic hydrogen fluoride solution and stirred at room temperature. After 2 days, the gray sediment was decanted. From the colorless supernatant solution, after removal of the excess methanol in vacuo, a nearly white solid was obtained which had a specific surface area (BET / N 2 ) of 348 m 2 / g. Despite the large surface area, the sample showed clear, albeit broad, reflections of MgF 2 in the X-ray powder diffraction gram.
Beispiel 4: Herstellung von BariumfluoridExample 4: Preparation of barium fluoride
690 mg (5 mmol) metallisches Barium wurden mit einer methanolischen HF-Lösung im Überschuß, bezogen auf den HF-Gehalt, versetzt. Unter Gasentwicklung und Bildung eines milchigen Sols löst sich das Barium auf. Beim Konzentrieren des Sols fällt ein weißes, Röntgenamorphes Pulver von Bariumfluorid aus. Die Reaktion verläuft bezogen auf das eingesetzte Barium quantitativ.690 mg (5 mmol) of metallic barium were mixed with a methanolic HF solution in excess, based on the HF content, offset. Under gas evolution and formation of a dissolves milky sols the barium opens up. Concentrating the sol occurs white X-ray Amorphous Powder of barium fluoride. The reaction proceeds based on the used Barium quantitatively.
Beispiel 5: Herstellung von ZinkfluoridExample 5: Preparation of zinc fluoride
1,24 g Zinkpulver (vor Anwendung mit einem Kupfersalz aktiviert) wurden mit einer stöchiometrischen Menge von HF in Methanol versetzt, wobei mit beginnender Gasentwicklung sich eine trübe milchige Lösung bildet. Nach einem Tag wurde die HF-Lösung ergänzt. Nach Beendigung der Reaktion und Abtrennen des Lösungsmittels wurde ein weißes amorphes Pulver von ZnF2 erhalten. Das Röntgen-Diffraktogramm weist sehr breite Reflexe auf, die dem Zinkfluorid zuzuordnen sind. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0,2%.1.24 g of zinc powder (activated with a copper salt before use) were treated with a stoichiometric amount of HF in methanol, with the onset of gas evolution becoming a cloudy milky ge solution forms. After one day, the HF solution was supplemented. After completion of the reaction and separation of the solvent, a white amorphous powder of ZnF 2 was obtained. The X-ray diffractogram has very broad reflections attributable to zinc fluoride. The carbon content is 0.2%.
Die in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zur Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The features disclosed in the foregoing description, claims and drawings of the invention both individually and in any combination for the realization of Invention be essential in their various embodiments.
Claims (24)
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