DE102013107933A1

DE102013107933A1 - Laserinduzierter Katalysator

Info

Publication number: DE102013107933A1
Application number: DE102013107933.4A
Authority: DE
Inventors: Werner Schütze; Alexander Slaza
Original assignee: Phitea GmbH
Current assignee: Phitea GmbH
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1) für einen Katalysator, das wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche (2) versehen ist, aufweisend ein Substrat (3) und zumindest eine an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche (4) des Substrats (3) angeordnete, katalytisch aktive Beschichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) aus wenigstens zwei Unterschichten (6, 7) aufgebaut ist und dass an wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat (3) abgewandten Seite der Beschichtung (5) eine Strukturierung (8) derart ausgebildet ist, dass durch die Strukturierung (8) ein Teil von zumindest der Unterschicht (6) freigelegt ist, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat (3) angeordnete Unterschicht (7) anschließt, wobei sich die Unterschichten (6, 7) in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil für einen Katalysator, das wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehen ist, aufweisend ein Substrat und zumindest eine an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des Substrats angeordnete, katalytisch aktive Beschichtung, die durch Laserstrukturierung wirksam gemacht wird, insbesondere durch Freilegung und Verbindung der aufgetragenen Schichten.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehenen Bauteils für einen Katalysator.
Ein Katalysator weist üblicherweise ein Katalysatorgehäuse und eine in dem Katalysatorgehäuse angeordnete temperaturstabile Struktur, beispielsweise einen Wabenkörper aus Keramik, auf, die von dem zu behandelnden Gas umströmt wird. Auf einer solchen Struktur kann eine katalytisch aktive Beschichtung (sogenannter „Washcoat”) angeordnet sein, welche die oben genannten chemischen Umwandlungen der in dem Gas enthaltenen Stoffe bewirkt. In der Regel weist diese Beschichtung eine relativ raue Oberfläche auf, um eine möglichst große katalytisch aktive Oberfläche zu schaffen. In der Beschichtung sind herkömmlich katalytisch aktive Edelmetalle, wie beispielsweise Platin, Rhodium und/oder Palladium, eingelagert. Die zu behandelnden Gase weisen in der Regel Temperaturen in einem Bereich von 350°C bis 500°C auf. Daher unterliegen Katalysatoren nicht nur einem mechanischen sondern auch einem hohen thermisch bedingten Verschleiß. Es findet ein langsamer Abtrag der katalytisch aktiven Beschichtung von der in dem Katalysatorgehäuse angeordneten Struktur statt, was die Lebensdauer eines Katalysators begrenzt.
Der Einsatz von Katalysatoren dient beispielsweise zur Behandlung von aus Anlagen, wie beispielsweise Öfen oder dergleichen, stammenden Abgasen. Im Rahmen der Erfindung kann ein Katalysator zu unterschiedlichsten Katalysezwecken und unter verschiedensten thermischen Bedingungen eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zur Ausbildung eines langlebigen und vielseitig einsetzbaren neuartigen Katalysators zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1, einen Katalysator gemäß Anspruch 8 und ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, welche jeweils für sich genommen oder in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Nach Anspruch 1 ist bei einem Bauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Beschichtung aus wenigstens zwei Unterschichten aufgebaut ist und an wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat abgewandten Seite der Beschichtung eine Strukturierung derart ausgebildet, dass durch die Strukturierung ein Teil von zumindest der Unterschicht freigelegt ist, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat angeordnete Unterschicht anschließt, wobei sich die Unterschichten in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden.
Da die katalytisch aktive Oberfläche des erfindungsgemäßen Bauteils durch wenigstens zwei Unterschichten gebildet wird, die sich in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden, können der katalytisch aktiven Oberfläche des Bauteils unterschiedlichste Eigenschaften verliehen werden. Bei einer aus drei oder mehreren Unterschichten aufgebauten Beschichtung können durch die Strukturierung auch zwei oder mehrere Unterschichten entsprechend freigelegt werden. Die jeweilige Zusammensetzung der Unterschichten wird unter Berücksichtigung der gewünschten Katalyse und der gewünschten Standzeit ausgewählt.
Die Dicke einer Unterschicht kann beispielsweise aus einem Bereich von etwa 10 Nanometer bis etwa 100 Nanometer ausgewählt sein.
Es ist möglich, dass aneinander angrenzende Unterschichten einen p-n-Übergang ausbilden, wozu beispielsweise Silizium in die Unterschichten eingelagert sein kann, welches zum Beispiel in einer Unterschicht mit Phosphor dotiert ist. Hierdurch kann die Beschichtung ein Halbleiterbauelement ausbilden.
Durch die an der Beschichtung ausgebildete Strukturierung wird die katalytisch aktive Oberfläche des Bauteils stark vergrößert, um die katalytische Wirksamkeit des Bauteils zu verbessern, ohne die Dimensionierung des Bauteils nachteilig vergrößern zu müssen.
Die Beschichtung kann eine Dicke von etwa 1 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer, vorzugsweise 1,5 Mikrometer, aufweisen, wobei die Dicke einer Beschichtung unter Berücksichtigung der gewünschten Standzeit ausgewählt wird.
Durch einen einsatzbedingten Verschleiß an der Beschichtung werden tiefer liegende Unterschichten freigelegt, so dass das Bauteil seine Eigenschaften über einen vorgebbaren Zeitraum im Wesentlichen beibehält. Dabei erfolgt ein Verschleiß im atomaren Bereich, so dass keine schädlichen Nanopartikel freigesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strukturierung zumindest teilweise wellenförmig ausgebildet. Eine solche Strukturierung, auch Ripple-Strukturierung genannt, lässt sich auf einfache Art und Weise beispielsweise mittels eines Femtosekundenlasers herstellen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Strukturierung durch wenigstens zwei sich kreuzende, wellenförmig ausgebildete Unterstrukturen ausgebildet. Dies dient einer weiteren Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche des Bauteils.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die wellenförmig ausgebildete Strukturierung eine Periode in einem Bereich von etwa 200 Nanometer bis etwa 1500 Nanometer auf.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die an der Beschichtung ausgebildete wellenförmige Strukturierung eine Periode in einem Bereich von etwa 200 Nanometer bis etwa 1500 Nanometer, vorzugsweise von etwa 220 Nanometer, 690 Nanometer, 900 Nanometer oder 1400 Nanometer aufweist.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist wenigstens eine Unterschicht aus einem keramischen Werkstoff gebildet, der zumindest ein Metall und wenigstens ein dem Metall zugehöriges Metalloxid enthält. Bestimmte Kombinationen von Metallen und ihren zugehörigen Metalloxiden, wie beispielsweise Tantal-Tantaloxid, Titan-Titanoxid, Eisen-Eisenoxid oder Aluminium-Aluminiumoxid, weisen ähnliche katalytische Eigenschaften wie die herkömmlich verwendeten Edelmetalle auf. Daher können bei einem Bauteil für einen Katalysator statt der Edelmetalle entsprechende Metall-Metalloxid-Kombinationen verwendet werden, was die Herstellungskosten für ein entsprechendes Bauteil bzw. einen damit ausgestatteten Katalysator deutlich reduziert. Jedoch können Edelmetalle auch in Kombination mit Metallen, Metalloxiden und keramischen Werkstoffen verwendet werden, um einer entsprechend ausgebildeten Unterschicht gewünschte Eigenschaften zu verleihen.
Aus Kombinationen von Metallen, Metalloxiden und keramischen Werkstoffen, beispielsweise Oxiden, Nitriden, Carbiden und Fluoriden, in Form von Schichten im Nanometerbereich lassen sich für die jeweilig gewünschte Katalyse geeignete Kombinationen herstellen und zu einer Matrix aus Metall und/oder keramischen Werkstoff(en) verbinden, wobei nur die strukturierte Oberfläche wirksam wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist an dem Abschnitt der Oberfläche des Substrats eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet. Hierdurch kann der Halt der Beschichtung an dem Substrat verbessert werden. Zudem kann hierdurch die katalytisch aktive Oberfläche des Bauteils weiter vergrößert werden, wenn die Dicke der Beschichtung kleiner als die Dimensionierung der an dem Substrat ausgebildeten Oberflächenstrukturierung ist. Auch die an dem Substrat ausgebildete Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise mittels eines Femtosekundenlaser ausgebildet werden.
Ferner wird es als vorteilhaft erachtet, wenn an der dem Substrat abgewandten Seite der Beschichtung wenigstens eine entsprechend aufgebaute weitere Beschichtung angeordnet ist. Hierdurch kann die Standzeit des Bauteils bzw. eines entsprechend ausgestatteten Katalysators weiter erhöht werden. Durch die Anzahl und Dicken von entsprechenden Beschichtungen kann eine Schicht mit einer Gesamtdicke von etwa 0,1 Millimeter bis etwa 2 Millimeter an dem Substrat ausgebildet werden.
Mit Anspruch 8 wird ein Katalysator, vorgeschlagen, der erfindungsgemäß wenigstens ein Bauteil nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben aufweist. Damit sind die oben mit Bezug auf das Bauteil genannten Vorteile verbunden.
Nach Anspruch 9 weist das Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die folgenden Schritte auf:

– Bereitstellen eines Substrats;
– Aufbringen von zumindest einer aus wenigstens zwei Unterschichten aufgebauten Beschichtung auf die Strukturierung, wobei sich die Unterschichten in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden;
– Ausbilden einer Strukturierung an wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat abgewandten Seite der Beschichtung,
– wobei die Strukturierung derart an dieser Seite der Beschichtung ausgebildet wird, dass durch die Strukturierung ein Teil von zumindest der Unterschicht freigelegt wird, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat angeordnete Unterschicht anschließt.

Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das Bauteil genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Ausbildung der Strukturierung ein Femtosekundenlaser verwendet. Der Femtosekundenlaser kann beispielsweise elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 248 Nanometer, 760 Nanometer, 1050 Nanometer oder 1500 Nanometer aufweisen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Strukturierung an der Beschichtung zumindest teilweise wellenförmig ausgebildet. Eine solche Strukturierung kann auch als Linienstrukturierung bezeichnet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Strukturierung durch wenigstens zwei sich kreuzende wellenförmig ausgebildete Unterstrukturen ausgebildet wird. Hierbei können Femtosekundenlaser mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Unterschichten mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere eines PLD-Verfahrens, nacheinander oder in sich teilweise überlappenden Zeitintervallen aufgebracht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche des Substrats eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet wird. Auch dies kann mittels eines Femtosekundenlasers erfolgen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird auf die Beschichtung wenigstens eine entsprechend aufgebaute weitere Beschichtung aufgebracht.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in unterschiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen
1: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil und
2: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Querschnitts durch ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil 1 für einen nicht dargestellten Katalysator. Das Bauteil 1 ist wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche 2 versehen.
Das Bauteil 1 umfasst ein Substrat 3 und eine an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche 4 des Substrats 3 angeordnete, katalytisch aktive Beschichtung 5. Die Beschichtung 5 ist aus zwei Unterschichten 6 und 7 aufgebaut. An wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Beschichtung 5 ist eine wellenförmig ausgebildete Strukturierung 8 derart ausgebildet, dass durch die Strukturierung 8 ein Teil von der Unterschicht 6 freigelegt ist, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat 3 angeordnete Unterschicht 7 anschließt, wobei sich die Unterschichten 6 und 7 in ihrerjeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden.
2 zeigt eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts eines Querschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil 1. Die Beschichtung 5 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Wesentlicher Unterschied zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, dass an dem Abschnitt der Oberfläche des Substrats 3, an dem die Beschichtung 5 angeordnet ist, eine wellenförmig ausgebildete Oberflächenstrukturierung 9 mittels eines Femtosekundenlasers mit einer Emissionswellenlänge von 1050 Nanometer ausgebildet ist. Die Höhe h der Oberflächenstrukturierung kann in einem Bereich von 5 Mikrometer bis 50 Mikrometer liegen. Die Länge l zwischen zwei Wellenbergen kann in einem Bereich von 2,5 Mikrometer bis 25 Mikrometer liegen. Der Winkel α kann in einem Bereich von 30° bis 60° liegen. Das Verhältnis der Länge l zu der Höhe h beträgt vorzugsweise 0,5 (l/h = 0,5).
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Oberfläche
3: Substrat
4: Oberfläche
5: Beschichtung
6: Unterschicht
7: Unterschicht
8: Strukturierung
9: Oberflächenstrukturierung
h: Höhe
l: Länge
α: Winkel

Claims

Bauteil (1) für einen Katalysator, das wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche (2) versehen ist, aufweisend ein Substrat (3) und zumindest eine an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche (4) des Substrats (3) angeordnete, katalytisch aktive Beschichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) aus wenigstens zwei Unterschichten (6, 7) aufgebaut ist und dass an wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat (3) abgewandten Seite der Beschichtung (5) eine Strukturierung (8) derart ausgebildet ist, dass durch die Strukturierung (8) ein Teil von zumindest der Unterschicht (6) freigelegt ist, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat (3) angeordnete Unterschicht (7) anschließt, wobei sich die Unterschichten (6, 7) in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (8) zumindest teilweise wellenförmig ausgebildet ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (8) durch wenigstens zwei sich kreuzende, wellenförmig ausgebildete Unterstrukturen ausgebildet ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wellenförmig ausgebildete Strukturierung (8) eine Periode in einem Bereich von etwa 200 Nanometer bis etwa 1500 Nanometer aufweist.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Unterschicht (6, 7) aus einem keramischen Werkstoff gebildet ist, der zumindest ein Metall und wenigstens ein dem Metall zugehöriges Metalloxid enthält.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Abschnitt der Oberfläche (4) des Substrats (3) eine Oberflächenstrukturierung (9) ausgebildet ist.
Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Substrat (3) abgewandten Seite der Beschichtung (5) wenigstens eine entsprechend aufgebaute weitere Beschichtung angeordnet ist.
Katalysator, gekennzeichnet durch wenigstens ein Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Katalysator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten auf einer Metallfolie als Träger aufgebracht sind und für den Katalysator aufgewickelt sind.
Verfahren zum Herstellen eines wenigstens teilweise mit einer katalytisch aktiven Oberfläche versehenen Bauteils (1) für einen Katalysator, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Substrats (3); – Aufbringen von zumindest einer aus wenigstens zwei Unterschichten (6, 7) aufgebauten Beschichtung (5) auf wenigstens einen Abschnitt der Oberfläche (4) des Substrats (3), wobei sich die Unterschichten (6, 7) in ihrer jeweiligen Zusammensetzung voneinander unterscheiden; – Ausbilden einer Strukturierung (8) an wenigstens einem Abschnitt der dem Substrat (3) abgewandten Seite der Beschichtung (5), – wobei die Strukturierung (8) derart an dieser Seite der Beschichtung (5) ausgebildet wird, dass durch die Strukturierung (8) ein Teil von zumindest der Unterschicht (6) freigelegt wird, welche sich substratseitig unmittelbar an die am weitesten entfernt von dem Substrat (3) angeordnete Unterschicht (7) anschließt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Strukturierung (8) ein Femtosekundenlaser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (8) zumindest teilweise wellenförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung (8) durch wenigstens zwei sich kreuzende, wellenförmig ausgebildete Unterstrukturen ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschichten (6, 7) mittels eines PVD-Verfahrens, insbesondere eines PLD-Verfahrens, nacheinander oder in sich teilweise überlappenden Zeitintervallen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Abschnitt der Oberfläche (4) des Substrats (3) eine Oberflächenstrukturierung (9) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Beschichtung (5) wenigstens eine entsprechend aufgebaute weitere Beschichtung aufgebracht wird.