DE102009033716B4 - A process for the preparation of an open-pore structure permeable by a fluid as well as a use of the structure produced by the process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer offenporigen Struktur, die von Fluiden durchströmt werden kann, die so hergestellte Struktur und Verwendungen. Aufgabe Erfindung ist es, eine offenporige Struktur zur Verfügung zu stellen, die von einem Fluid durchströmt und dabei katalytisch beeinflusst werden kann, die auch in sehr kleiner Dimensionierung für eine Beeinflussung des jeweiligen Fluids mechanisch und thermisch langzeitstabil eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Struktur ist aus mindestens einer keramischen Faser gebildet und an deren Oberfläche ist mindestens ein katalytisch wirkendes chemisches Element stoffschlüssig mit keramischem Werkstoff der Faser(n) verbunden. Bei der Herstellung kann so vorgegangen werden, dass pulverförmiger keramischer Werkstoff in einer Suspension mit einem Polymer und einem Lösungsmittel zu mindestens einer Faser extrudiert wird und daraus eine grünfeste Struktur geformt und anschließend bei einer Wärmebehandlung die organischen Bestandteile ausgetrieben und die Struktur gesintert wird. Im Anschluss daran wird die gesinterte Struktur an der Oberfläche mit einer Lösung in der mindestens eine chemische Verbindung eines katalytisch wirkenden Elements enthalten ist, beschichtet und danach eine chemische Reduktion der chemischen Verbindung bei einer weiteren Wärmebehandlung in reduzierender Atmosphäre durchgeführt wird, die zu einer stoffschlüssigen Verbindung des mindestens einen katalytisch wirkenden Elements an der Oberfläche der Struktur führt.The invention relates to a method for producing an open-pored structure through which fluids can flow, the structure and uses thus produced. The object of the invention is to provide an open-pored structure which can be flowed through by a fluid and catalytically influenced, which can be used mechanically and thermally with long-term stability even in very small dimensions for influencing the respective fluid. The structure according to the invention is formed of at least one ceramic fiber and on the surface of which at least one catalytically active chemical element is bonded to ceramic material of the fiber (s). The preparation can be carried out by extruding powdered ceramic material in a suspension with a polymer and a solvent to form at least one fiber and then forming a green structure from it, and then, during a heat treatment, expelling the organic constituents and sintering the structure. Subsequently, the sintered structure is coated on the surface with a solution in which at least one chemical compound of a catalytically active element is coated, and thereafter a chemical reduction of the chemical compound is carried out in a further heat treatment in a reducing atmosphere, resulting in a cohesive connection of the at least one catalytically active element on the surface of the structure.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer offenporige Struktur, die von Fluide durchströmt werden kann, sowie eine Verwendung der mit dem Vorfahren hergestellten StrukturThe invention relates to a method for producing an open-pore structure, which can be flowed through by fluids, as well as a use of the structure produced with the ancestor
Offenporige Strukturen, die von Fluiden, also Gasen oder Flüssigkeiten, durchströmt werden sollen, sind in vielfältiger Form bekannt, um z. B. eine Separation oder eine andere Beeinflussung, wie eine Umwandlung von im Fluid enthaltenen Stoffen, vornehmen zu können.Open-pore structures, which are to be flowed through by fluids, so gases or liquids, are known in many forms to z. As a separation or other influence, such as a conversion of substances contained in the fluid to make.
Dabei müssen beim Durchströmen bestimmte Eigenschaften und Parameter erfüllt werden. So soll in der Regel der dadurch bewirkte Druckverlust klein gehalten werden. Bei einem Einsatz als Katalysatorträger ist eine mechanische Langzeitstabilität bei höheren Temperaturen und ggf. auch bei chemisch aggressiven Fluiden zu berücksichtigen. Außerdem soll ein Austrag von katalytisch wirksamen Stoffen oder deren Unwirksamkeit durch anhaftende Verschmutzungen an deren Oberfläche sowie deren chemische Umwandlung vermieden werden. Die Degradation über die Lebensdauer soll klein gehalten werden.Certain properties and parameters have to be fulfilled when flowing through. As a rule, the resulting pressure loss should be kept small. When used as a catalyst support, mechanical long-term stability at higher temperatures and possibly also in chemically aggressive fluids must be taken into account. In addition, a discharge of catalytically active substances or their ineffectiveness by adhering contaminants on their surface and their chemical transformation should be avoided. The degradation over the lifetime should be kept small.
Außerdem ist eine große Oberfläche, die vom Fluid überströmt wird, gewünscht.In addition, a large surface overflowed by the fluid is desired.
So bieten offenporige Schäume große Oberflächen, eine gute Verteilung der Fluidströmung und kleine Diffusionswege. Sie können aber nicht bzw. nur sehr aufwändig in miniaturisierter Form mit kleinen Abmessungen hergestellt werden und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen.For example, open-cell foams provide large surfaces, good distribution of fluid flow, and small diffusion paths. However, they can not or can only be produced in miniaturized form with very small dimensions and at the same time have sufficient mechanical strength.
Ein weiteres Problem bei offenporigen Schäumen ist die homogene Applikation mit einem katalytisch wirksamen Stoff, was insbesondere im Inneren eines Schaumkörpers problematisch ist. Eine maximale katalytische Wirkung kann so nicht über die gesamte eigentlich zur Verfügung stehende Oberfläche erreicht werden.Another problem with open-pored foams is the homogeneous application with a catalytically active substance, which is problematic especially in the interior of a foam body. A maximum catalytic effect can not be achieved over the entire surface actually available.
Es sind auch lose Schüttungen, die mit einzelnen Pellets oder Granulat gebildet sind, für solche Anwendungen bekannt. Bei diesen ist aber eine verhältnismäßig kleine Oberfläche nutzbar und die zur Verfügung stehenden Diffusionswege sind kurz. Als wesentlicher Nachteil kann aber ein Austrag von Material nicht vermieden werden und es ist ein hoher Druckverlust in Kauf zu nehmen.There are also loose beds, which are formed with individual pellets or granules, known for such applications. In these, however, a relatively small surface is available and the available diffusion paths are short. As a major disadvantage but a discharge of material can not be avoided and it is a high pressure loss to accept.
Es sind auch keramische Strukturen mit Wabenformen im Einsatz, durch deren Hohlräume oder Kanäle Fluide strömen. Sie weisen eine hohe mechanische Festigkeit auf. Ein Austrag von Katalysatormaterial kann ebenfalls weitgehend vermieden werden. Aber auch hier bestehen Defizite bei der möglichen Miniaturisierung, der Nutzung großer Oberflächen und bei einigen Ausführungen tritt auch ein erhöhter Druckverlust auf.There are also ceramic honeycomb structures in use, flow through the cavities or channels fluids. They have a high mechanical strength. A discharge of catalyst material can also be largely avoided. But here too there are shortcomings in the possible miniaturization, the use of large surfaces and in some embodiments, an increased pressure loss occurs.
Aus
Die
Es ist daher der Aufgabe Erfindung eine offenporige Struktur zur Verfügung zu stellen, die von einem Fluid durchströmt und dabei katalytisch beeinflusst werden kann, die auch in sehr kleiner Dimensionierung für eine Beeinflussung des jeweiligen Fluids mechanisch und thermisch langzeitstabil eingesetzt werden kann.It is therefore an object of the invention to provide an open-pore structure which flows through a fluid and can be catalytically influenced thereby, which can be used for long-term stability, even in very small dimensions, for influencing the respective fluid mechanically and thermally.
Erfindungsgemäß kann diese Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst werden. Anspruch 7 charakterisiert eine Verwendung der mit dem Verfahren hergestellten Struktur. According to the invention, this object can be achieved by a method according to claim 1. Claim 7 characterizes a use of the structure produced by the method.
Eine erfindungsgemäß hergestellte offenporige Struktur ist aus mindestens einer keramischen Faser gebildet und außerdem ist an deren Oberfläche mindestens ein katalytisch wirkendes chemisches Element stoffschlüssig mit keramischem Werkstoff der Faser(n) verbunden. Dabei kann eine einzige ausreichend lange Faser, die mehrfach gewunden worden ist, eine offenporige Struktur bilden. Die Struktur kann aber auch mit einer Vielzahl einzelner solcher Fasern gebildet werden.An open-pore structure produced according to the invention is formed from at least one ceramic fiber and, in addition, at least one catalytically active chemical element is connected in a materially bonded manner to ceramic material of the fiber (s) on its surface. In this case, a single sufficiently long fiber, which has been wound several times, form an open-pored structure. The structure can also be formed with a plurality of individual such fibers.
Dabei werden eine Faser bzw. mehrere Fasern durch Sinterbrücken an mehreren Positionen stoffschlüssig miteinander verbunden.In this case, one or more fibers are connected to one another in a material-locking manner by means of sintered bridges at a plurality of positions.
So kann beispielsweise ein Gewirk, Gewebe, Gestrick, Geflecht, Vlies, Gelege oder Netzwerk mit der/den Faser(n) hergestellt worden sein.For example, a knitted, woven, knitted, braided, nonwoven, scrim or network may have been made with the fiber (s).
Geeignete keramische Werkstoffe sind ausgewählt aus Al2O3, ZrO2, Si3N4, Y2O3, La2O3, Mn2O3, CeO2, Cr2O3, Co2O3, SrO und CaO oder einem Hydroxid oder Carbonat davon. Dementsprechend können die Faser(n) beispielsweise auch aus den folgend genannten Perowskitkeramiken LaxSr1-xMnyCr1-yO3 oder Lax Ca1-xMnyCr1-yO3 hergestellt werden. Die genannten keramischen Stoffe können auch als Mischung von mindestens zwei dieser chemischen Verbindungen oder mit mindestens einem zusätzlichen Element oder chemischen Verbindungen dotiert bzw. versetzt eingesetzt werden.Suitable ceramic materials are selected from Al 2 O 3 , ZrO 2 , Si 3 N 4 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Mn 2 O 3 , CeO 2 , Cr 2 O 3 , Co 2 O 3 , SrO and CaO or a hydroxide or carbonate thereof. Accordingly, the fiber (s) may also be made, for example, from the following perovskite ceramics La x Sr 1-x Mn y Cr 1 -y O 3 or Lax Ca 1-x Mn y Cr 1-y O 3 . The mentioned ceramics can also be used as a mixture of at least two of these chemical compounds or with at least one doped or offset added element or chemical compounds are used.
Geeignete katalytisch wirkende Elemente sind ausgewählt aus Ni, Cu, Co, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os.Suitable catalytically active elements are selected from Ni, Cu, Co, Pt, Pd, Rh, Ru, Ir and Os.
Günstig kann es auch sein, dass auf der Oberfläche von Fasern eine Zwischenschicht aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist, auf deren Oberfläche dann mindestens ein katalytisch wirkendes chemisches Element stoffschlüssig mit dem keramischen Werkstoff der Zwischenschicht verbunden ist. Dabei kann der Werkstoff der Zwischenschicht ein Werkstoff sein, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Faserwerkstoffs mit einem Maximalwert von 1·10–6 m/K abweicht.It may also be favorable that an intermediate layer of a ceramic material is formed on the surface of fibers, on the surface of which then at least one catalytically active chemical element is adhesively bonded to the ceramic material of the intermediate layer. In this case, the material of the intermediate layer may be a material having a thermal expansion coefficient that differs from the thermal expansion coefficient of the fiber material with a maximum value of 1 x 10 -6 m / K.
Die Zwischenschicht kann aber auch mit demselben Werkstoff, mit dem auch die Faser hergestellt ist, gebildet sein. In beiden Fällen soll dadurch die spezifische Oberfläche der Zwischenschicht größer als die spezifische Oberfläche der unbeschichteten Faser(n) werden. Dies kann durch eine niedrigere Sintertemperatur, die für die Sinterung der auf der Trägerschicht auszubildenden Zwischenschicht gewählt wird, erreicht werden. Die höhere Sintertemperatur für die Trägerstruktur führt zu einer höheren Festigkeit der Trägerstruktur im Vergleich zur Festigkeit der Zwischenschicht.The intermediate layer can also be formed with the same material with which the fiber is made. In both cases, this is intended to make the specific surface of the intermediate layer larger than the specific surface of the uncoated fiber (s). This can be achieved by a lower sintering temperature, which is selected for the sintering of the intermediate layer to be formed on the carrier layer. The higher sintering temperature for the support structure leads to a higher strength of the support structure compared to the strength of the intermediate layer.
Die für die Herstellung erfindungsgemäßer Strukturen eingesetzten Fasern sollten Außendurchmesser von mindestens 0,01 mm bis maximal 1 mm, bevorzugt 0,05 mm aufweisen. Die Strukturen können vorteilhaft ein Volumen im Bereich 0,025 cm3 bis 50 cm3 haben. Dadurch können sie in kleiner Ausbildung für mobile Anwendungen genutzt werden. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz für Brennstoffzellen, bei denen besonders geeigneter Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, mittels eines Reformierprozesses aus einer Kohlenwasserstoffverbindung erhalten werden kann. So kann dann Elektroenergie für den Betrieb kleiner mobiler Verbraucher, z. B. Notebooks, zur Verfügung gestellt werden. Der erforderliche Treibstoff kann dabei als flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindung mit an sich höherem Heizwert in einem geeigneten Tank ggf. unter erhöhtem Druck stehend mitgeführt werden.The fibers used for the production of structures according to the invention should have outside diameters of at least 0.01 mm to a maximum of 1 mm, preferably 0.05 mm. The structures may advantageously have a volume in the range 0.025 cm 3 to 50 cm 3 . As a result, they can be used in small training for mobile applications. An example of this is the use of fuel cells, in which particularly suitable fuel such. As hydrogen, can be obtained by means of a reforming of a hydrocarbon compound. So then electric power for the operation of small mobile consumers, eg. As notebooks are provided. The required fuel can be carried as a liquid or gaseous hydrocarbon compound having a higher calorific value in a suitable tank, possibly under elevated pressure.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Strukturen wird so vorgegangen, dass pulverförmiger keramischer Werkstoff in einer Suspension mit einem Polymer und einem Lösungsmittel zu mindestens einer Faser extrudiert werden. Die daraus geformte grünfeste Struktur wird anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die organischen Bestandteile ausgetrieben werden und die Struktur auch gesintert wird.In the production of structures according to the invention, the procedure is such that powdered ceramic material is extruded in a suspension with a polymer and a solvent to form at least one fiber. The greenest structure formed therefrom is then subjected to a heat treatment in which the organic components are expelled and the structure is also sintered.
Es besteht auch die Möglichkeit organische Fasern zuzugeben. Dies können beispielsweise Zellulosefasern sein. Bei einer Wärmebehandlung können die organischen Komponenten ausgebrannt werden, so dass innerhalb einer Struktur Hohlräume ausgebildet werden, die die Porosität erhöhen.It is also possible to add organic fibers. These may be cellulose fibers, for example. In a heat treatment, the organic components can be burned out, so that cavities are formed within a structure, which increase the porosity.
Nach dem Extrudieren kann der eine keramische Faden oder es können auch mehrere solcher Fäden wegen ihrer dann noch plastischen Verformbarkeit verarbeitet werden, um eine gewünschte Geometrie, Dimension und Porosität der Struktur einzustellen.After extrusion, one or more of these filaments may be processed because of their then still plastic deformability to set a desired geometry, dimension and porosity of the structure.
Im Anschluss an diese Wärmebehandlung wird die gesinterte Struktur an der Oberfläche mit einer Lösung, in der mindestens eine chemische Verbindung eines katalytisch wirkenden Elements enthalten ist, beschichtet. Dies kann durch Tränken in der oder Besprühen mit der Lösung erfolgen. An der so beschichteten Struktur wird bei einer weiteren Wärmebehandlung eine chemische Reduktion der chemischen Verbindung in reduzierender Atmosphäre durchgeführt. Dies führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung des mindestens einen katalytisch wirkenden Elements an der Oberfläche der Struktur. Vor dieser oder ggf. auch bei dieser Wärmebehandlung kann das Lösungsmittel verdampft werden.Following this heat treatment, the sintered structure is coated on the surface with a solution in which at least one chemical compound of a catalytically active element is contained. This can be done by soaking in or spraying with the solution. At the thus coated structure, in a further heat treatment, a chemical reduction of the chemical compound is carried out in a reducing atmosphere. This leads to a cohesive connection of the at least one catalytically active element to the surface of the structure. Before this or possibly also during this heat treatment, the solvent can be evaporated.
Wie bereits angesprochen kann zwischen dem Sintern und der weiteren Wärmebehandlung für die chemische Reduzierung eine Zwischenschicht auf der keramischen Oberfläche der gesinterten Struktur aus demselben keramischen Werkstoff oder einem keramischen Werkstoff, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Faserwerkstoffs mit einem Maximalwert von 1·10–6 m/K abweicht, ausgebildet werden.As already mentioned, between the sintering and the further heat treatment for the chemical reduction, an intermediate layer on the ceramic surface of the sintered structure of the same ceramic material or a ceramic material having a thermal expansion coefficient of the coefficient of thermal expansion of the fiber material with a maximum value of 1 · 10 -6 m / K deviates, be trained.
Dies kann ebenfalls mit einer Suspension erreicht werden, die zumindest mit einem entsprechenden keramischen Pulver und einem Binder gebildet ist. Die Suspension wird dabei auf die Oberfläche der bereits vorab gesinterten Struktur aufgebracht und bei einer Wärmebehandlung der Binder ausgetrieben und das keramische Pulver gesintert. Die Sinterung wird dabei so durchgeführt, dass sich die spezifische Oberfläche der Faser(n) vergrößert. Dies kann durch Beachtung bestimmter Temperaturen, Heizraten und Haltezeiten erreicht werden. Allein oder zusätzlich kann aber auch eine Pulverauswahl getroffen werden, bei der das Pulver für die Zwischenschicht eine kleinere Partikelgröße und/oder eine andere Partikelgrößenverteilung im Vergleich zum für die Faserherstellung eingesetzten Pulver aufweist.This can also be achieved with a suspension which is formed at least with a corresponding ceramic powder and a binder. The suspension is applied to the surface of the already pre-sintered structure and expelled during a heat treatment of the binder and sintered the ceramic powder. The sintering is carried out so that the specific surface of the fiber (s) increases. This can be achieved by observing certain temperatures, heating rates and holding times. Alone or in addition, however, it is also possible to make a powder selection in which the powder for the intermediate layer has a smaller particle size and / or a different particle size distribution in comparison with the powder used for fiber production.
Eine bimodale Partikelgrößenverteilung von Pulver, das für eine Zwischenschicht eingesetzt wird, ist vorteilhaft. Eine solche Struktur kann von einem Fluid gut durchströmt werden und weist eine hohe spezifische Oberfläche auf. So kann eine Pulvermischung, die mit einer ersten Partikelgröße im Bereich 50 nm bis 100 nm und eine zweite Partikelgröße im Bereich 0,5 μm bis 1 μm gebildet ist, für die Zwischenschichtausbildung genutzt werden. A bimodal particle size distribution of powder used for an intermediate layer is advantageous. Such a structure can be well flowed through by a fluid and has a high specific surface area. Thus, a powder mixture which is formed with a first particle size in the range 50 nm to 100 nm and a second particle size in the range 0.5 μm to 1 μm can be used for the interlayer formation.
Die Eigenschaften einer erfindungsgemäß hergestellten Struktur können definiert bei der Herstellung beeinflusst werden. Dabei kann der Außendurchmesser, der die Struktur bildenden Faser(n), deren spezifische Oberfläche, die Art und Weise, wie die Faser(n) geformt, welches Volumen Fasern in der Struktur ausfüllen und die Anzahl sowie die Größe von Sinterbrücken und von Poren beachtet werden.The properties of a structure produced according to the invention can be influenced in a defined manner in the production. The outer diameter, the fiber (s) forming the structure, their specific surface area, the way in which the fiber (s) are formed, the volume of fibers in the structure and the number and size of sintered bridges and pores can be taken into account become.
Bei der Erfindung können die Faser(n) für die Struktur mit dem Polysulfon-Verfahren hergestellt werden. Dabei kann, wie in der
Dementsprechend können bei diesem Verfahren fünf Verfahrensschritte durchgeführt werden. So wird in einem ersten Schritt (i) eine Dispersion mit einem keramischen Pulver und einem Lösungsmittel für ein Polysulfon hergestellt. Die Fertigstellung der Dispersion erfolgt in einem zweiten Schritt (ii), bei dem der so vorbereiteten Dispersion ein Gemisch bestehend aus dem Lösungsmittel und dem Polysulfon zugegeben wird. Dabei wird ein Anteil Polysulfon ≤ 1 Masse-% und der Anteil an keramischem Pulver von mindestens 85 Masse-% in der Dispersion eingehalten. Es kann aber auch ein höherer Anteil an Polysulfon von bis zu 5 Masse-% und ggf. einem geringeren Anteil an keramischem Pulver als 85 Masse-% eingesetzt werden. Mit einem Polysulfonanteil oberhalb 1 Masse-% kann vorteilhaft die Porosität und damit auch die spezifische Oberfläche erhöht werden.Accordingly, five process steps can be performed in this process. Thus, in a first step (i), a dispersion is prepared with a ceramic powder and a solvent for a polysulfone. The dispersion is completed in a second step (ii), in which a mixture consisting of the solvent and the polysulfone is added to the dispersion prepared in this way. In this case, a proportion of polysulfone ≤ 1% by mass and the proportion of ceramic powder of at least 85% by mass is maintained in the dispersion. However, it is also possible to use a higher proportion of polysulfone of up to 5% by mass and possibly a smaller proportion of ceramic powder than 85% by mass. With a polysulfone content above 1% by mass, it is advantageously possible to increase the porosity and thus also the specific surface area.
Die im zweiten Verfahrensschritt (ii) in die vorab vorbereitete Dispersion zugegebene Polysulfonlösung sollte einen Anteil an Lösungsmittel aufweisen, der eine vollständige Lösung des Polysulfons ermöglicht und die Sättigungsgrenze des Lösungsmittels für Polysulfon nicht erreicht oder zumindest nur unwesentlich überschritten wird.The polysulfone solution added in the previously prepared dispersion in the second process step (ii) should have a proportion of solvent which allows complete dissolution of the polysulfone and does not reach or at least only slightly exceeds the saturation limit of the polysulfone solvent.
Durch die alleinige Zugabe des Lösungsmittels im ersten Verfahrensschritt (i) können die Oberfläche der Keramikpulverpartikel mit dem Lösungsmittel benetzt und dadurch die Oberflächenspannungsverhältnisse günstig beeinflusst werden, um das Dispergierverhalten für den zweiten Verfahrensschritt (ii) zu verbessern.The sole addition of the solvent in the first process step (i), the surface of the ceramic powder particles wetted with the solvent and thereby the surface tension ratios are favorably influenced to improve the dispersing behavior for the second process step (ii).
Danach wird in einem dritten Schritt (iii) die eine pastöse Konsistenz aufweisende Dispersion einer Formgebung unterzogen, bevorzugt wird extrudiert. Trotz des Feststoffanteils von mindestens 85 Masse-% ist die Dispersion plastisch verformbar. In einem vierten Schritt (iv) werden so erhaltene Formkörper in ein Lösungsmittel für das in der Dispersion enthaltene Lösungsmittel eingetaucht oder mit diesem benetzt. Polysulfon ist in diesem Lösungsmittel nicht löslich. Dadurch können zumindest nahezu von Lösungsmittel freie Formkörper erhalten werden.Thereafter, in a third step (iii), the dispersion having a pasty consistency is subjected to shaping, preferably extruded. Despite the solids content of at least 85% by mass, the dispersion is plastically deformable. In a fourth step (iv), moldings thus obtained are immersed in or wetted with a solvent for the solvent contained in the dispersion. Polysulfone is not soluble in this solvent. As a result, at least almost solvent-free molded articles can be obtained.
Die grünfesten Formkörper werden dann in einem fünften Schritt (v), wie bereits vorab allgemeiner erläutert, einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei der Wärmebehandlung werden zuerst die noch enthaltenen organischen Komponenten durch Pyrolyse ausgetrieben und der Formkörper gesintert. Die Wärmebehandlung kann auch in zwei Stufen erfolgen, bei denen jeweils andere Bedingungen eingehalten werden.The green-strength moldings are then subjected to a heat treatment in a fifth step (v), as already explained in more detail above. During the heat treatment, first the organic components still contained are expelled by pyrolysis and the shaped body is sintered. The heat treatment can also take place in two stages, each of which complies with other conditions.
Beim Sintern kann jedoch auf Zusatzaufwand weitestgehend verzichtet werden. Es kann häufig bei normalen Atmosphärenbedingungen, also an Luft und bei Normaldruck gesintert werden.When sintering, however, can be largely dispensed with additional effort. It can often be sintered under normal atmospheric conditions, ie in air and at normal pressure.
Bei dieser Vorgehensweise ist es besonders vorteilhaft, dass bei den ersten vier Verfahrensschritten bei kleinen Temperaturen (Raumtemperatur) gearbeitet werden kann.In this procedure, it is particularly advantageous that in the first four process steps at low temperatures (room temperature) can be used.
So sollte bei den Verfahrensschritten (i) bis (iv) die Maximaltemperatur von 70°C nicht überschritten werden. Bevorzugt sollte die Temperatur kleiner 40°C sein. Es kann also auch bei normaler Umgebungstemperatur und auch darunter gearbeitet werden.Thus, in the process steps (i) to (iv), the maximum temperature of 70 ° C should not be exceeded. Preferably, the temperature should be less than 40 ° C. It can also be used at normal ambient temperature and below.
Günstig ist es, langkettiges Polysulfon einzusetzen. Das Molekulargewicht sollte mindestens 30.000 U betragen.It is favorable to use long-chain polysulfone. The molecular weight should be at least 30,000 U.
Bei dem Verfahrensschritt, bei dem die Reduktion von katalytisch wirkenden chemischen Elementen erfolgt, kann in der reduzierenden Atmosphäre Formiergas (Stickstoff + 5% Wasserstoff), reiner Wasserstoff, Varigon (Argon + 5% Wasserstoff), Stickstoffmonoxid enthalten sein. Ein solches Gas kann aber auch allein für die reduzierende Atmosphäre eingesetzt werden.In the process step in which the reduction of catalytically active chemical elements takes place, forming gas (nitrogen + 5% hydrogen), pure hydrogen, varigon (argon + 5% hydrogen), nitrogen monoxide may be contained in the reducing atmosphere. However, such a gas can also be used alone for the reducing atmosphere.
Für die Herstellung der Struktur kann ein pulverförmiger keramischer Werkstoff mit einer Partikelgröße zwischen 0,05 μm und 10 μm eingesetzt und eine mittlere Partikelgröße d50 von 0,15 μm eingehalten werden.For the manufacture of the structure, a powdery ceramic material with a particle size between 0.05 microns and 10 microns can be used and a mean particle size d 50 are adhered to 0.15 microns.
Bevorzugt ist es außerdem, ein Salz als eine chemische Verbindung eines katalytisch wirkenden chemischen Elements einzusetzen. Dies kann ein Chlorid, beispielsweise RhCl3 sein. Salze lassen sich bekanntermaßen gut in Wasser lösen, bis eine maximale Sättigungsgrenze erreicht worden ist. So können wässrige Salzlösungen mit jeweils besonders geeignetem Salzanteil einfach hergestellt werden. Ihre Handhabung ist unkompliziert und dabei die erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen gering.It is also preferable to use a salt as a chemical compound of a catalytic one to use active chemical element. This may be a chloride, for example RhCl 3 . Salts are known to dissolve well in water until a maximum saturation limit has been reached. Thus, aqueous salt solutions, each with a particularly suitable salt content can be easily prepared. Their handling is straightforward and the required safety precautions low.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.The invention will be explained by way of example below.
Beispiel IExample I
Für eine erfindungsgemäße Struktur wurden Fasern aus ZrO2 mit dem Polysulfonverfahren hergestellt. Das eingesetzte keramische Pulver hatte eine mittlere Partikelgröße d50 von 0,15 μm. Die Suspension war mit 70 Masse-% ZrO2-Pulver, 3 Masse-% Polysulfon und 27 Masse-% Lösungsmittel gebildet.For a structure according to the invention fibers of ZrO 2 were prepared by the polysulfone process. The ceramic powder used had an average particle size d 50 of 0.15 microns. The suspension was formed with 70 mass% ZrO 2 powder, 3 mass% polysulfone and 27 mass% solvent.
Die Suspension wurde extrudiert und die so erhaltenen Fäden mit Längen zwischen 5 mm bis 10 mm dann zu einer Trägerstruktur in Form gelegt. Dabei wurde eine ausreichend große Porosität von ca. 90% eingehalten. Nach der Ausbildung eines Vlieses mit diesen Fäden wurde eine Sinterung bei einer Temperatur zwischen 1200°C und 1400°C mit einer Heizrate von 5 K/min durchgeführt.The suspension was extruded and the threads thus obtained with lengths between 5 mm to 10 mm then placed in the form of a support structure. In this case, a sufficiently large porosity of about 90% was maintained. After forming a nonwoven fabric with these filaments, sintering was conducted at a temperature between 1200 ° C and 1400 ° C at a heating rate of 5 K / min.
Dann wurden die Fäden der Trägerstruktur an der Oberfläche mit einer Suspension beschichtet, die ebenfalls mit ZrO2 in Pulverform gebildet war. Als Binder war in der Suspension Polyethylenimin enthalten. Der Feststoffanteil der Suspension betrug 20 g/l. Als Lösungsmittel wurde Ethanol eingesetzt.Then, the threads of the support structure were coated on the surface with a suspension which was also formed with ZrO 2 in powder form. As a binder, polyethyleneimine was included in the suspension. The solids content of the suspension was 20 g / l. Ethanol was used as the solvent.
Die so vorbereitete Struktur wurde dann über einen Zeitraum von 2 h bei 950°C gesintert. Es wurde eine Heizrate von 3 K/min eingehalten. Nach dem Sintern war eine spezifische Oberfläche von 4 m2/g erreicht.The thus prepared structure was then sintered at 950 ° C for a period of 2 hours. A heating rate of 3 K / min was observed. After sintering, a specific surface area of 4 m 2 / g was reached.
Die gesinterte Struktur wurde dann in eine 1,4 Masse-%-ige RhCl3·3H2O-Lösung getaucht. Das Lösungsmittel war dabei Wasser. Bei einer Wärmebehandlung an Luft und anschließend unter Formiergas-Atmosphäre bei 750°C wurde das Wasser verdampft und das Chlorid in Rh2O3 umgewandelt und dann auf der Oberfläche zu katalytisch wirksamem Rhodium reduziert. Dabei konnte es an der Oberfläche eine stoffschlüssige Verbindung eingehen.The sintered structure was then dipped in a 1.4% by weight RhCl 3 .3H 2 O solution. The solvent was water. Upon heat treatment in air and then under a forming gas atmosphere at 750 ° C, the water was evaporated and the chloride was converted to Rh 2 O 3 and then reduced to catalytically active rhodium on the surface. It was able to form a material connection on the surface.
Es wurden Massenanteile für die Trägerstruktur, Zwischenschicht und katalytisch wirkendem Rhodium 100:10:1 eingehalten.Mass fractions for the support structure, intermediate layer and catalytically active rhodium 100: 10: 1 were observed.
Die so hergestellte Struktur hatte ein Volumen von 1,5 cm3. Sie kann für die Reformierung von Ethanol, als ein Beispiel für eine geeignete Kohlenwasserstoffverbindung, zu Wasserstoff eingesetzt werden.The structure thus prepared had a volume of 1.5 cm 3 . It can be used for the reforming of ethanol, as an example of a suitable hydrocarbon compound, to hydrogen.
Dabei wurden pro Minute zwischen 0,058 ml und 0,108 ml Ethanol und 0,108 ml und 0,213 ml Wasser ohne Trägergas verdampft und durch den mit der Struktur gebildeten Katalysator geführt. Das S:C-Verhältnis betrug 3:1. Die Reformierung wurde bei einer konstanten Temperatur von 750°C durchgeführt. Im Reformat waren nach der katalytisch unterstützten Reaktion mehr als 42% Wasserstoff, ca. 40% Wasser, ca. 10 Vol.-% CO3, 9,5 Vol.-% CO2, weniger als 0,1 Vol.-% CH4 und kein Ethanol enthalten.Between 0.058 ml and 0.108 ml of ethanol and 0.108 ml and 0.213 ml of water without carrier gas were evaporated per minute and passed through the catalyst formed with the structure. The S: C ratio was 3: 1. The reforming was carried out at a constant temperature of 750 ° C. In the reformate were after the catalytically assisted reaction more than 42% hydrogen, about 40% water, about 10 vol .-% CO 3 , 9.5 vol .-% CO 2 , less than 0.1 vol .-% CH 4 and no ethanol included.
Die Struktur zeigte über eine Betriebszeit von 6000 min keine Degradation.The structure showed no degradation over an operating time of 6000 min.
Beispiel IIExample II
Es wurde eine keramische Struktur, wie bei Beispiel I hergestellt.It was a ceramic structure, prepared as in Example I.
Als katalytisch wirkende Elemente wurden Rhodium und Nickel mit der Oberfläche stoffschlüssig verbunden. Hierfür wurde wie folgt vorgegangen:As catalytically active elements rhodium and nickel were firmly bonded to the surface. The procedure was as follows:
Die gesinterte Struktur wurde in eine 0,7 Masse-%-ige RhCl3·3H2O-Lösung mit 1,37 Masse-% Ni (NO3)2·6H2O genutzt. Das Lösungsmittel war dabei Wasser. Bei einer Wärmebehandlung unter Luft und anschließend unter Formiergas bei 750°C wurde das Wasser verdampft und dann das Chlorid und das Nitrat zum jeweiligen Oxid umgewandelt, die sich dann durch Reduktion an der Oberfläche der Struktur als katalytisch wirksames Rhodium und Nickel absetzen und mit dieser stoffschlüssig verbunden werden könnten.The sintered structure was used in a 0.7 mass% RhCl 3 .3H 2 O solution containing 1.37 mass% Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O. The solvent was water. In a heat treatment under air and then under forming gas at 750 ° C, the water was evaporated and then the chloride and nitrate converted to the respective oxide, which then settle by reduction at the surface of the structure as catalytically active rhodium and nickel and with this cohesively could be connected.
Es wurden folgende Massenanteile für die Trägerstruktur, die Zwischenschicht, Rhodium und Nickel von 100:10:0,5:0,5 eingehalten.The following mass fractions were observed for the support structure, the intermediate layer, rhodium and nickel of 100: 10: 0.5: 0.5.
Die so hergestellte Struktur hatte ein Volumen von 1,5 cm3. Sie kann für die Reformierung von Ethanol, als ein Beispiel für eine geeignete Kohlenwasserstoffverbindung, zu Wasserstoff eingesetzt werden.The structure thus prepared had a volume of 1.5 cm 3 . It can be used for the reforming of ethanol, as an example of a suitable hydrocarbon compound, to hydrogen.
Dabei wurden pro Minute zwischen 0,058 ml und 0,108 ml Ethanol und 0,108 ml und 0,213 ml Wasser ohne Trägergas verdampft und durch den mit der Struktur gebildeten Katalysator geführt. Das S:C-Verhältnis betrug 3:1. Die Reformierung wurde bei einer konstanten Temperatur von 750°C durchgeführt. Im Reformat waren nach der katalytisch unterstützten Reaktion mehr als 42 Vol.-% Wasserstoff, ca. 40 Vol.-% Wasser, ca. 10 Vol.-% CO, 9,5 Vol.-% CO2, weniger als 0,1 Vol.-% CH4 und kein Ethanol enthalten.Between 0.058 ml and 0.108 ml of ethanol and 0.108 ml and 0.213 ml of water without carrier gas were evaporated per minute and passed through the catalyst formed with the structure. The S: C ratio was 3: 1. The reforming was carried out at a constant temperature of 750 ° C. In the reformate were after the catalytically assisted reaction more than 42 vol .-% hydrogen, about 40 vol .-% water, about 10 vol .-% CO, 9.5 vol .-% CO 2 , less than 0.1 Vol .-% CH 4 and no ethanol included.
Die Struktur zeigte über eine Betriebszeit von 6000 min keine Degradation.The structure showed no degradation over an operating time of 6000 min.
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