DE102017211592B4 - Methods for producing omniphobic surfaces, an omniphobic surface coating, uses of the omniphobic surface coating and use in a heat exchanger - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten,- elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel,- Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung, wobei das Metallioni) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist und/oderii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt wird,und wobei das Bauteila) gleichzeitig Elektrode istoderb) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebrachtwird,wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist, und wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufweist.Process for coating components with an omniphobic surface coating, containing at least one metal-organic framework compound and an impregnating agent, with the steps, - electrochemical deposition of the metal-organic framework compound on the component by means of electrolysis, from an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent ,- Application of an impregnating agent to the metal-organic framework, the metal ioni) being dissolved as a metal ion salt in the electrolyte solution and/orii) generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the electrode and the electrolyte solution and/or is provided in the electrolyte solution, and wherein the component is a) simultaneously an electrode or b) is introduced into an electric field between at least two electrodes, wherein the linker connection is an organ Che, at least monodentate compound, and wherein the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN / m.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen, die Oberflächenbeschichtung als solche sowie deren Verwendung in Wärmeübertragern.The invention relates to a method for producing an omniphobic surface coating on components, the surface coating as such and its use in heat exchangers.

Ein Dampf schlägt sich auf einer festen Oberfläche, beispielsweise einer Wand, als Flüssigkeit nieder, sofern die Temperatur der Oberfläche unterhalb einer Sattdampftemperatur des Dampfes liegt. Dieser Vorgang wird als Kondensation bezeichnet.A vapor condenses on a solid surface, for example a wall, as a liquid if the temperature of the surface is below a saturation temperature of the vapor. This process is called condensation.

Kondensation in Wärmeübertragern findet verbreitet Einsatz bei der effizienten Nutzung von Abwärme aus Industrieanlagen, wobei z. B. dampfförmiges Wasser an der Oberfläche eines Wärmeübertragers kondensiert und zur Erwärmung von beispielsweise Luft oder Brauchwasser dienen kann.Condensation in heat exchangers is widely used in the efficient use of waste heat from industrial plants, e.g. B. vaporous water condenses on the surface of a heat exchanger and can be used to heat air or domestic water, for example.

Die Kondensation des Wasserdampfes auf der Oberfläche des Wärmeübertragers kann unter Ausbildung eines geschlossenen, zusammenhängenden Films erfolgen (Filmkondensation), welcher sich auf der Oberfläche ausbildet. Sie kann aber auch als Tropfenkondensation erfolgen, bei der die Oberfläche durch räumlich voneinander separierte Tropfen benetzt wird.The condensation of the water vapor on the surface of the heat exchanger can take place with the formation of a closed, coherent film (film condensation), which forms on the surface. However, it can also take the form of droplet condensation, in which the surface is wetted by droplets that are spatially separated from one another.

Die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms ist oftmals störend und unerwünscht. Die Tropfenkondensation ist dagegen wesentlich vorteilhafter, da sie sich im Vergleich zur Filmkondensation durch deutlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten auszeichnet.The formation of a liquid film is often disruptive and undesirable. Droplet condensation, on the other hand, is much more advantageous, since it is characterized by significantly higher heat transfer coefficients than film condensation.

Sie ist daher seit langem Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten.It has therefore long been the subject of research and development activities.

Die Mehrzahl der bisherigen Untersuchungen zur Tropfenkondensation wurde mit dem System Wasserdampf/Wasser durchgeführt.The majority of previous studies on droplet condensation were carried out using the water vapor/water system.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Tropfenkondensation von Wasserdampf zu realisieren.There are different approaches to realize the droplet condensation of water vapor.

So kann diese beispielsweise durch eine hydrophobe Funktionalisierung der Wärmeübertrageroberfläche erreicht werden. Dabei werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche so verändert, dass diese eine möglichst geringe Benetzbarkeit gegenüber Wasser und somit große Wasserkontaktwinkel aufweist. Derartige Oberflächen verfügen über eine mittlere oder niedrige Oberflächenenergie.This can be achieved, for example, by hydrophobic functionalization of the heat exchanger surface. The chemical and physical properties of the surface are changed in such a way that it has the lowest possible wettability to water and thus a large water contact angle. Such surfaces have a medium or low surface energy.

Bei der chemischen Funktionalisierung von Oberflächen für die Tropfenkondensation werden unpolare Moleküle mittels Beschichtungsverfahren an die Oberfläche gebunden (siehe u.a. KOCH, G. [u.a.]: Study on plasma enhanced CVD coated material to promote dropwise condensation of steam. In: International Journal of Heat and Mass Transfer.1998, Vol. 41, No. 13, S. 1899-1906. ISSN 0017-9310 (P); 1879-2189 (E). DOI:10.1016/S0017-9310(97)00356-6; KOCH, Gerd; KRAFT, Kjeld; LEIPERTZ, Alfred: Parameter study on the performance of dropwise condensation. In: Revue Generale de Thermique. 1998, Vol. 37, No. 7, S.539-548. ISSN 0035-3159 (P); 0035-3159 (E). DOI: 10.1016/S0035-3159(98)80032-9; KOCH, G.; ZHANG, D. C.; LEIPERTZ, A.: Condensation of steam on the surface of hard coated copper discs. In: Heat and Mass Transfer. 1997, Vol. 32, No. 3, S. 149-156. ISSN 0947-7411 (P); 1432-1181 (E). DOI: 10.1007/s002310050105; M. P. BONNAR, Mark P. [u.a.]: Plasma polymer films for dropwise condensation of steam. In: Chemical Vapor Deposition. 1997, Vol. 3, No. 4, S. 201-207. ISSN 0948-1907 (P);1521-3862 (E). DOI: 10.1002/cvde. 19970030408; BONNAR, Mark P. [u.a.]: Hydrophobie coatings from plasma polymerized vinyltrimethylsilane. In: Chemical Vapor Deposition. 1999, Vol. 5, No. 3, S. 117-125.ISSN 0948-1907 (P); 1521-3862 (E). DOI: 10.1002/(SICI)1521-3862(199906)5:3<117::AID-CVDE117>3.0.CO;2-4; ENRIGHT, Ryan [u.a.]: Dropwise condensation on micro- and nanostructured surfaces. In: Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 2014, Vol. 18, No. 3, S. 223-250. ISSN 1556-7265 (P); 1556-7273 (E). DOI:10.1080/15567265.2013.862889).In the chemical functionalization of surfaces for dropwise condensation, non-polar molecules are bound to the surface by means of coating processes (see e.g. KOCH, G. [ua]: Study on plasma enhanced CVD coated material to promote dropwise condensation of steam. In: International Journal of Heat and Mass Transfer 1998, Vol 41, No 13, pp 1899-1906 ISSN 0017-9310 (P), 1879-2189 (E), DOI:10.1016/S0017-9310(97)00356-6, KOCH, Gerd KRAFT Kjeld LEIPERTZ Alfred Parameter study on the performance of dropwise condensation Revue Generale de Thermique 1998 Vol 37 No 7 pp 539-548 ISSN 0035-3159 (P); 0035-3159 (E) DOI: 10.1016/S0035-3159(98)80032-9 KOCH G ZHANG DC LEIPERTZ A Condensation of steam on the surface of hard coated copper discs In Heat and Mass Transfer 1997 Vol 32 No 3 pp 149-156 ISSN 0947-7411 (P) 1432-1181 (E) DOI: 10.1007/s002310050105 MP BONNAR, Mark P [ua] : Plasma polymer films for dropwise condensation of steam. I n: chemical vapor deposition. 1997, Vol. 3, No. 4, pp. 201-207. ISSN 0948-1907 (P);1521-3862 (E). DOI: 10.1002/cvde. 19970030408; BONNAR, Mark P. [et al.]: Hydrophobic coatings from plasma polymerized vinyltrimethylsilane. In: Chemical Vapor Deposition. 1999, Vol. 5, No. 3, pp. 117-125.ISSN 0948-1907 (P); 1521-3862 (E). DOI: 10.1002/(SICI)1521-3862(199906)5:3<117::AID-CVDE117>3.0.CO;2-4; ENRIGHT, Ryan [et al.]: Dropwise condensation on micro- and nanostructured surfaces. In: Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. 2014, Vol. 18, No. 3, pp. 223-250. ISSN 1556-7265 (P); 1556-7273 (E). DOI:10.1080/15567265.2013.862889).

Weiterhin kann die Tropfenkondensation durch ein Implantieren von Atomen in die Randschicht derWerkstoffe umgesetzt werden (siehe BANI KANANEH, A. [u.a.]: Experimental study of dropwise condensation on plasma-ion implanted stainless steel tubes. In: International Journal of Heat and Mass Transfer 2006, Vol. 49, No. 25-26, S. 5018-5026. ISSN 0017-9310 (P); 1879-2189(E). DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.04.039 und RAUSCH, M. H.; FRÖBA, A. P.; LEIPERTZ, A.: Dropwise condensation heat transfer on ion implanted aluminum surfaces. In: International Journal of Heat and MassTransfer. 2008, Vol. 51, No. 5-6, S. 1061-1070. ISSN 0017-9310 (P); 1879-2189 (E).DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.05.047).Furthermore, the droplet condensation can be implemented by implanting atoms in the surface layer of the materials (see BANI KANANEH, A. [ua]: Experimental study of dropwise condensation on plasma-ion implanted stainless steel tubes. In: International Journal of Heat and Mass Transfer 2006 49, No. 25-26, p. AP; LEIPERTZ, A.: Dropwise condensation heat transfer on ion implanted aluminum surfaces. In: International Journal of Heat and MassTransfer. 2008, Vol. 51, No. 5-6, pp. 1061-1070. ISSN 0017-9310 (P );1879-2189(E).DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.05.047).

Neben den chemischen Eigenschaften der Kondensationsoberfläche wird das Benetzungs- und Kondensationsverhalten auch durch die Oberflächenmorphologie beeinflusst (vgl. 8).In addition to the chemical properties of the condensation surface, the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology (cf. 8th ).

So konnten durch eine Kombination aus wasserabweisendem Oberflächenmaterial und gezielter Strukturierung im Mikro- und Nanometerbereich superhydrophobe Oberflächen mit sehr hohen Wasserkontaktwinkeln (θ > 150°) erzeugt werden (vgl. 8b), siehe auch WIER, Kevin A.; McCARTHY, Thomas J.: Condensation on ultrahydrophobic surfaces and its effect on droplet mobility: Ultrahydrophobic surfaces are not always waterrepellant. In: Langmuir. 2006, Vol. 22, No. 6, S. 2433-2436. ISSN 0743-7463 (P);1520-5827 (E). DOI: 10.1021/la0525877; BOREYKO, Jonathan B.; CHEN, Chuan-Hua: Self-propelled dropwise condensate on superhydrophobic surfaces. In: PHYSICAL REVIEW LETTERS. 2009, Vol. 103, No.18, S. 184501-1 - 184501-4. ISSN 0031-9007 (P); 1079-7114 (E). DOI:10.1103/PhysRevLett.103.184501 und MILJKOVIC, Nenad; ENRIGHT, Ryan; WANG, Evelyn N.: Effect of droplet morphologyon growth dynamics and heat transfer during condensation on superhydrophobicnanostructured surfaces. In: ACS Nano. 2012, Vol. 6, No. 2, S. 1776-1785. ISSN1936-0851 (P); 1936-086X (E). DOI: 10.1021/nn205052a).A combination of water-repellent surface material and targeted structuring in the micro- and nanometer range made it possible to create superhydrophobic surfaces with very high water contact angles (θ > 150°) (cf. 8b) , see also WIER, Kevin A.; McCARTHY, Thomas J.: Condensation on ultrahydrophobic surfaces and its effect on droplet mobility: Ultrahydrophobic surfaces are not always water repellant. In: Langmuir. 2006, Vol. 22, No. 6, pp. 2433-2436. ISSN 0743-7463 (P);1520-5827 (E). DOI: 10.1021/la0525877; BOREYKO, Jonathan B.; CHEN, Chuan-Hua: Self-propelled dropwise condensate on superhydrophobic surfaces. In: PHYSICAL REVIEW LETTERS. 2009, Vol. 103, No.18, pp. 184501-1 - 184501-4. ISSN 0031-9007 (P); 1079-7114 (E). DOI:10.1103/PhysRevLett.103.184501 and MILJKOVIC, Nenad; ENRIGHT, Ryan; WANG, Evelyn N.: Effect of droplet morphology on growth dynamics and heat transfer during condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces. In: ACS Nano. 2012, Vol. 6, No. 2, pp. 1776-1785. ISSN1936-0851 (P); 1936-086X (E). DOI: 10.1021/nn205052a).

Wenn zusätzlich, wie in 8c) dargestellt, das Anhaften der Kondensattropfen an der Oberfläche vermieden wird, ermöglichen derartige Oberflächen im Vergleich zu glatten hydrophoben Oberflächen eine weitere Steigerung des Wärmeübergangs bei der Kondensation von Wasserdampf (MILJKOVIC, Nenad; ENRIGHT, Ryan; WANG, Evelyn N.: Modeling and optimization of superhydrophobic condensation. In: Journal of Heat Transfer. 2013, Vol. 135, No.11, S. 111004-1 - 111004-14. ISSN 0022-1481 (P); 1528-8943 (E). DOI:10.1115/1.4024597).If additionally, as in 8c ) shows that the adhesion of the condensate drops to the surface is avoided, such surfaces enable a further increase in heat transfer during the condensation of water vapor compared to smooth hydrophobic surfaces (MILJKOVIC, Nenad; ENRIGHT, Ryan; WANG, Evelyn N.: Modeling and optimization of superhydrophobic condensation In: Journal of Heat Transfer 2013, Vol. 1.4024597).

Für die Beschreibung des Wärmeübergangs bei Tropfenkondensation organischer und nichtwasserhaltiger Stoffsysteme fehlen bisher detaillierte Untersuchungen. Damit ist die Anwendung des Tropfenkondensationsmechanismuses zur Effizienzsteigerung von Apparaten und Prozessen bei diesen Stoffsystemen in der Praxis bisher schwierig umzusetzen.For the description of the heat transfer during droplet condensation of organic and non-aqueous material systems, detailed investigations are still lacking. This means that the use of the droplet condensation mechanism to increase the efficiency of apparatus and processes in these material systems has so far been difficult to implement in practice.

Potentielle Anwendungsgebiete für die Tropfenkondensation organischer und nicht-wässriger Systeme sind beispeilsweise Prozesse zur Lösungsmittelrückgewinnung aber auch geschlossene Kreisprozesse in Wärmepumpen, Kältemaschinen und Organic Rankine Cycle - Anlagen. Gerade bei den hier eingesetzten Stoffsystemen ist die Anwendung der Tropfenkondensation gegenüber der Filmkondensation noch interessanter und technisch relevanter als bei Wasserdampf/Wasser.Potential areas of application for the droplet condensation of organic and non-aqueous systems are, for example, processes for solvent recovery, but also closed cycle processes in heat pumps, chillers and organic Rankine Cycle systems. Especially with the material systems used here, the use of droplet condensation compared to film condensation is even more interesting and technically relevant than with steam/water.

Allerdings weisen die kondensierenden Kälte- und Lösungsmittel als gemeinsames Merkmal eine deutlich geringere Oberflächenspannungen als Wasser auf, was eine Realisierung der Tropfenkondensation zusätzlich erschwert.However, the common feature of the condensing refrigerants and solvents is a significantly lower surface tension than water, which makes it even more difficult to realize droplet condensation.

Der durch Tropfenkondensation gesteigerte Wärmeübergang macht diesen Mechanismus jedoch für eine Vielzahl technischer Prozesse wirtschaftlich äußerst interessant. Genannt seien hier beispielsweise Kondensatoren in ORC-Anlagen zur Stromerzeugung aus Abwärme oder auch der stationäre und mobile Einsatz von Wärmepumpen und Kältemaschinen.However, the increased heat transfer caused by droplet condensation makes this mechanism extremely interesting from an economic point of view for a large number of technical processes. Mentioned here are, for example, condensers in ORC systems for generating electricity from waste heat or the stationary and mobile use of heat pumps and chillers.

Ein erhöhter Wärmeübergang bei der Kondensation der Kältemittel führt vorteilhaft dazu, dass geringere Wärmeübertragerflächen bei gleicher Wirkung eingesetzt werden können.An increased heat transfer during the condensation of the refrigerant advantageously means that smaller heat transfer surfaces can be used with the same effect.

Beispielsweise können bei einer Wasserkühlung und dem verwendeten Kältemittel Isobutan durch die Verdreifachung des kältemittelseitigen Wärmeübergangs mittels Tropfenkondensation Einsparungen von 20 % bis 30 % der Wärmeübertragerfläche im Vergleich zur Filmkondensation erreicht werden. Dies ermöglicht den Bau sehr kompakter und gewichtssparender Apparate und einen geringeren Materialeinsatz. Dadurch können, bei marktgerechter Integration der Beschichtungstechnologien, auch die Herstellungskosten für die Apparate gesenkt werden.For example, with water cooling and the refrigerant isobutane used, by tripling the heat transfer on the refrigerant side by means of droplet condensation, savings of 20% to 30% of the heat transfer surface can be achieved compared to film condensation. This enables the construction of very compact and weight-saving devices and a lower use of materials. As a result, the manufacturing costs for the devices can also be reduced if the coating technologies are integrated in line with market requirements.

Auch für Produktionsprozesse zur Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus belasteter Abluft, insbesondere in der Druckindustrie, bei der Beschichtung und Lackierung von Holz-, Metall- und Kunststoffoberflächen, bei der Herstellung von Arzneimitteln sowie von Lacken, Farben und Klebstoffen ist die Tropfenkondensation eine wirtschaftlich attraktive Alternative zur herkömmlichen Verfahren.Droplet condensation is also an economically attractive alternative to production processes for the recovery of organic solvents from polluted exhaust air, especially in the printing industry, in the coating and painting of wood, metal and plastic surfaces, in the manufacture of pharmaceuticals and lacquers, paints and adhesives conventional methods.

Bisher wurden für die o.g. Prozsse beispielsweise Adsorptionsverfahren oder eine thermische bzw. katalytische Oxidation genutzt. Die Tropfenkondensation ermöglicht beispielsweise im Gegensatz zur thermischen oder katalytischen Oxidation eine stoffliche Nutzung der rückgewonnenen Lösungsmittel.So far, for example, adsorption processes or thermal or catalytic oxidation have been used for the above-mentioned processes. In contrast to thermal or catalytic oxidation, for example, droplet condensation allows the recovered solvents to be used as a material.

Die relevanten Fluide aus der Gruppe der Kälte- und Lösungsmittel weisen als ein gemeinsames Merkmal eine deutlich geringere Oberflächenspannung γLV als Wasser auf. Gewöhnlich beträgt diese < 50 mN/m, häufig sogar < 30 mN/m.The common feature of the relevant fluids from the group of refrigerants and solvents is that they have a significantly lower surface tension γ LV than water. This is usually < 50 mN/m, often even < 30 mN/m.

Dies führt in der Regel zu deutlich geringeren Kontaktwinkeln im Vergleich zu Wasser. Bei zahlreichen, insbesondere hydrophoben Oberflächen führt dies sogar zu einer vollständigen Benetzung mit den organischen oder wasserfreien Fluiden. Die Realisierung der Tropfenkondensation wird daher mit diesen Fluiden erheblich erschwert.This usually leads to significantly lower contact angles compared to water. In the case of numerous, particularly hydrophobic surfaces, this even leads to complete wetting with the organic or anhydrous fluids. The realization of the droplet condensation is therefore considerably more difficult with these fluids.

Die oben beschriebenen Ansätze für die Umsetzung der Tropfenkondensation von Wasserdampf sind deshalb für die relevanten Fluide aus der Gruppe der Kälte- und Lösungsmittel nur bedingt geeignet. Anstelle von hydrophoben Oberflächen bedarf es für die Tropfenkondensation von Kälte- und Lösungsmitteln omniphober Oberflächen, die gegenüber einer Vielzahl an polaren und unpolaren Flüssigkeiten eine geringe Benetzbarkeit aufweisen. Aus der Literatur ist bekannt, dass sich glatte omniphobe Oberflächen sehr niedriger Oberflächenenergie γSV durch Beschichten mit vollfluorierten Systemen erzeugen lassen (RYKACZEWSKI, Konrad [u.a.]: Dropwise condensation of low surface tension fluidson omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014, Vol. 4, Article number: 4158, S.1-8. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep04158, MAYER, T. M. [u.a.]: Chemical vapor deposition of fluoroalkylsilane monolayer films for adhesion control in microelectromechanical systems. In: Journal of Vacuum Science and Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena. 2000, Vol. 18, No. 5, S. 2433-2440. ISSN 0734-211X(P); 2166-2754 (E). DOI: 10.1116/1.1288200; TSIBOUKLIS, John; NEVELL, Thomas G.: Ultra-low surface energy polymers: The molecular design requirements. In: Advanced Materials. 2003, Vol. 15, No. 7-8, S.647-650. ISSN 0935-9648 (P); 1521-4095 (E). DOI: 10.1002/adma.200301638; CHHATRE, Shreerang S. [u.a.]: Fluoroalkylated siliconcontaining surfaces -estimation of solid-surface energy. In: ACS Applied Materials & Interfaces. 2010, Vol.2, No. 12, S. 3544-3554. ISSN 1944-8244 (P); 1944-8252 (E). DOI:10.1021/am100729j).The approaches described above for the implementation of droplet condensation of water vapor are therefore only conditionally applicable to the relevant fluids from the group of refrigerants and solvents suitable. Instead of hydrophobic surfaces, droplet condensation of cold and solvents requires omniphobic surfaces that have low wettability to a large number of polar and non-polar liquids. It is known from the literature that smooth omniphobic surfaces with very low surface energy γ SV can be produced by coating with fully fluorinated systems (RYKACZEWSKI, Konrad [ua]: Dropwise condensation of low surface tension fluidson omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014, Vol. 4, Article number: 4158, pages 1-8 ISSN 2045-2322 (E) DOI: 10.1038/srep04158, MAYER, TM [ua]: Chemical vapor deposition of fluoroalkylsilane monolayer films for adhesion control in microelectromechanical systems In: Journal of Vacuum Science and Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena 2000 Vol 18 No 5 pp 2433-2440 ISSN 0734-211X(P) 2166-2754 (E ) DOI: 10.1116/1.1288200; TSIBOUKLIS, John; NEVELL, Thomas G.: Ultra-low surface energy polymers: The molecular design requirements. In: Advanced Materials. 2003, Vol. 15, No. 7-8, p.647 -650 ISSN 0935-9648 (P) 1521-4095 (E) DOI: 10.1002/adma.200301638 CHHATRE, Shreerang S [inter alia]: Fluoroalkylated silicon-containing surfaces - estimation of solid-surface energy. In: ACS Applied Materials & Interfaces. 2010, Vol.2, No. 12, pp. 3544-3554. ISSN 1944-8244 (P); 1944-8252 (E). DOI:10.1021/am100729j).

Derartige Beschichtungen sind jedoch aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität für zahlreiche technische Anwendungen nicht geeignet (GROTEN, Jonas; RÜHE, Jürgen: Surfaces with combined microscale and nanoscalestructures: A route to mechanically stable superhydrophobic surfaces?. In: Langmuir.2013, Vol. 29, No. 11, S. 3765-3772. ISSN 0743-7463 (P); 1520-5827 (E). DOI:10.1021/la304641q).However, due to their low mechanical stability, such coatings are not suitable for numerous technical applications (GROTEN, Jonas; RÜHE, Jürgen: Surfaces with combined microscale and nanoscalestructures: A route to mechanically stable superhydrophobic surfaces?. In: Langmuir.2013, Vol. 29, No. 11, pp. 3765-3772 ISSN 0743-7463 (P);1520-5827 (E) DOI:10.1021/la304641q).

Wie schon oben beschrieben, wird das Benetzungs- und Kondensationsverhalten auch durch die Oberflächenmorphologie beeinflusst. Es ist bekannt, dass durch eine Kombination aus geeigneter Oberflächenmorphologie und Imprägnierung der Oberfläche mit einem geeigneten Schmiermittel niedriger Oberflächenenergie, omniphobe Oberflächen erzeugt werden können. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass eine hierarchische Strukturierung der Oberfläche (Strukturierung im Mikrometerbereich mit zusätzlicher Rauheit im Nanometerbereich) eine Möglichkeit ist, um die Haftung von Kondensattropfen auf der Oberfläche zu minimieren und gleichzeitig die Beständigkeit der Imprägnierung zu erhöhen.As already described above, the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology. It is known that by a combination of suitable surface morphology and impregnation of the surface with a suitable low surface energy lubricant, omniphobic surfaces can be created. Current investigations show that a hierarchical structuring of the surface (structuring in the micrometer range with additional roughness in the nanometer range) is a possibility to minimize the adhesion of condensate droplets on the surface and at the same time to increase the resistance of the impregnation.

In der Publikation von S. Anand et al. (ANAND, Sushant [u.a.]: Enhanced condensation on lubricant-impregnated nanotextured surfaces. In: ACS Nano. 2012, Vol. 6, No. 11, S. 10122-10129. ISSN1936-0851 (P); 1936-086X (E). DOI: 10.1021/nn303867y), werden beispielsweise mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen Nanostrukturen auf der Oberfläche einer Probe erzeugt und anschließend mit einem Imprägniermittel behandelt, um verbesserte Tropfenkondensation von Wasser zu erzielen.In the publication by S. Anand et al. (ANAND, Sushant [ua]: Enhanced condensation on lubricant-impregnated nanotextured surfaces. In: ACS Nano. 2012, Vol. 6, No. 11, pp. 10122-10129. ISSN1936-0851 (P); 1936-086X (E ).DOI: 10.1021/nn303867y), nanostructures are produced on the surface of a sample by means of photolithography and subsequent etching, for example, and then treated with an impregnating agent in order to achieve improved droplet condensation of water.

Nachteilig sind die bisher bekannten mehrstufigen Verfahren zur Herstellung von hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen, welche beispielsweise photolithographische Verfahren oder den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren umfassen, äußerst kostenintensiv und für industrielle Prozesse, vor allem für die Beschichtung komplexer Bauteile weniger geeignet. Disadvantages are the previously known multi-stage processes for producing hierarchical micro- and nanostructures, which include, for example, photolithographic processes or the use of carbon nanotubes, are extremely cost-intensive and less suitable for industrial processes, especially for the coating of complex components.

Bauteile müssen vor dem finalen Aufbau beschichtet und dürfen nicht mehr geschweißt werden, da sonst die aufgetragene Beschichtung dabei beschädigt wird. Ebenso wäre ein Tauchbad zum Aufbringen der Schichten für große und komplexe Bauteile ungeeignet, da die Tauchbadgröße die Bauteilgröße limitiert und bei komplexen Bauteilen eine inhomogene Beschichtung zu erwarten ist. Dies wäre wiederum ein Grund für verstärkte Korrosion.Components must be coated before the final assembly and may no longer be welded, otherwise the applied coating will be damaged. Likewise, an immersion bath would be unsuitable for applying the layers for large and complex components, since the size of the immersion bath limits the size of the component and an inhomogeneous coating is to be expected with complex components. This in turn would be a reason for increased corrosion.

Eine alternative Möglichkeit zur Strukturierung von Oberflächen liegt in der Verwendung von Metallorganischen Gerüstverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks - MOFs).An alternative way of structuring surfaces is to use metal-organic frameworks (MOFs).

Eine günstige Eigenschaft der MOFs sind auf molekularer Ebene strukturell begründete Poren und eine damit einhergehende sehr hohe Porosität und Oberfläche. MOFs zeichnen sich außerdem durch hohe Stabilität bzw. Unlöslichkeit in beinahe allen Lösungsmitteln und Temperaturbeständigkeit von bis zu 350 °C aus. Bisher sind für MOFs vor allem Anwendungen im Bereich der Katalyse, Gasspeicherung und -reinigung sowie Analytik bekannt (CZAJA, Alexander U.; TRUKHAN, Natalia; MÜLLER, Ulrich: Industrial applications of metal-organic frameworks. In: Chemical Society reviews. 2009, Vol. 38, No. 5, S.1284-1293. ISSN 0306-0012 (P); 1460-4744 (E). DOI: 10.1039/B804680H).A favorable property of the MOFs are structurally based pores at the molecular level and an associated very high porosity and surface area. MOFs are also characterized by high stability or insolubility in almost all solvents and temperature resistance of up to 350 °C. So far, applications in the field of catalysis, gas storage and purification as well as analytics are known for MOFs (CZAJA, Alexander U.; TRUKHAN, Natalia; MÜLLER, Ulrich: Industrial applications of metal-organic frameworks. In: Chemical Society reviews. 2009, 38, No. 5, pp. 1284-1293.ISSN 0306-0012(P);1460-4744(E).DOI:10.1039/B804680H).

Zur Herstellung von MOF-Beschichtungen sind verschiedene Verfahren bekannt, die sowohl klassische Schichtaufwachstechniken wie Schleuderbeschichtungsprozesse, Eintauchbeschichtung oder Besprühen als auch schrittweise Reaktivbeschichtungen umfassen (siehe u.a. ARIGA, Katsuhiko [u.a.]: Layer-by-layer nanoarchitectonics: Invention, innovation, and evolution. In: Chemistry Letters (CL). 2014, Vol. 43, No. 1, S. 36-68. ISSN 0366-7022(P); 1348-0715 (E). DOI: 10.1246/cl.130987; ZACHER, Denise [u.a.]: Thin films of metal-organic frameworks. In: Chemical Society reviews. 2009, Vol. 38, No. 5, S. 1418-1429. ISSN 0306-0012 (P); 1460-4744 (E).DOI: 10.1039/B805038B; HE, C. u. a., „Exceptional hydrophobicity of a large-pore metal-organic zeolite“, J. Am. Chem. Soc.2015, Bd. 137, Nr. 22, S. 7217-7223,; ZHAO, Junjie [u.a.]: Conformal and highly adsorptive metal-organic framework thin films via layer-by-layer growth on ALD-coated fiber mats. In: Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability. 2015, Vol. 3, No. 4, S. 1458-1464. ISSN 2050-7488 (P); 2050-7496 (E). DOI: 10.1039/C4TA05501B; LIU, Sainan [u.a.]: Hydrophobic-ZIF-71 filled PEBA mixed matrix membranes for recovery of biobutanol via pervaporation. In: Journal of Membrane Science. 2013, Vol. 446, S. 181-188. ISSN 0376-7388 (P); 1873-3123 (E). DOI:10.1016/j.memsci.2013.06.025).Various methods are known for the production of MOF coatings, which include both classic layer growth techniques such as spin coating processes, dip coating or spraying and stepwise reactive coatings (see, inter alia, ARIGA, Katsuhiko [ua]: Layer-by-layer nanoarchitectonics: Invention, innovation, and evolution. In: Chemistry Letters (CL) 2014, Vol 43, No 1, pp 36-68 ISSN 0366-7022(P), 1348-0715 (E), DOI: 10.1246/cl.130987, ZACHER, Denise [ua]: Thin films of metal-organic frameworks In: Chemical Society reviews 2009, Vol. 38, No. 5, pp. 1418-1429. ISSN 0306-0012 (P); 1460-4744 (E). DOI: 10.1039/B805038B; HE, C. et al., "Exceptional hydrophobicity of a large-pore metal-organic zeolite", J. Am. Chem. Soc. 2015, Vol. 137, No. 22, pp. 7217-7223,; ZHAO, Junjie [ua]: Conformal and highly adsorptive metal-organic framework thin films via layer-by-layer growth on ALD-coated fiber mats. In: Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability. 2015, Vol. 3, No. 4, pp. 1458-1464. ISSN 2050-7488 (P); 2050-7496 (E). DOI: 10.1039/C4TA05501B; LIU, Sainan [inter alia]: Hydrophobic-ZIF-71 filled PEBA mixed matrix membranes for recovery of biobutanol via pervaporation. In: Journal of Membrane Science. 2013, Vol. 446, pp. 181-188. ISSN 0376-7388 (P); 1873-3123 (E). DOI:10.1016/j.memsci.2013.06.025).

Weiterhin können MOF-Schichten auch durch kostengünstige industriell skalierbare elektrochemische Methoden aufgewachsen werden, wobei MOF-Synthese und Beschichtung direkt in einem Schritt realisiert werden. Kristallitgrößen sowie -abstände und damit einhergehend Schichtdicke und Oberflächenmorphologie sind dabei kontrollierbar.Furthermore, MOF layers can also be grown using cost-effective, industrially scalable electrochemical methods, with MOF synthesis and coating being implemented directly in one step. Crystallite sizes and distances and the associated layer thickness and surface morphology can be controlled.

DE 103 55 087 A1 aus dem Jahr 2003 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von kristallinen MOFs in Pulverform, aus einem Reaktionsmedium, enthaltend zweizähnige Verbindungen und Metallionen, die durch Oxidation einer, das entsprechende Metall enthaltenden Anode, bereitgestellt werden. DE 103 55 087 A1 from 2003 describes a method for the electrochemical production of crystalline MOFs in powder form from a reaction medium containing bidentate compounds and metal ions, which are provided by oxidation of an anode containing the corresponding metal.

Weitere Publikationen folgten, beispielsweise von Ameloot et al. (AMELOOT, Rob [u.a.]: Patterned growth of metal-organic framework coatings by electrochemical synthesis. In: Chemistry of Materials. 2009, Vol. 21, No. 13, S. 2580-2582. ISSN 0897-4756 (P); 1520-5002 (E). DOI: 10.1021/cm900069f).Further publications followed, for example by Ameloot et al. (AMELOOT, Rob [ua]: Patterned growth of metal-organic framework coatings by electrochemical synthesis. In: Chemistry of Materials. 2009, Vol. 21, No. 13, pp. 2580-2582. ISSN 0897-4756 (P); 1520-5002 (E).DOI: 10.1021/cm900069f).

SCHÜTH, Ferdi: Poröse Materialien im Überblick. In: Chemie Ingenieur Technik, 2010, 82, 6, 769 - 777, ISSN 1522. DOI: 10.1002/cite.201000063 - gibt einen Überblick über poröse Materialien, welche sich insbesondere durch ihre Porengröße klassifizieren lassen. Unter anderem werden MOFs beschrieben, welche eine deutlich größere Porenweite als Zeolithe aufweisen und Porengrößen im Mesoporenbereich zeigen. MOFs mit hierarchischer Porenstruktur, die sowohl Makro-, als auch Meso- und Nanoporen aufweisen, sind nicht offenbart.SCHÜTH, Ferdi: Porous materials at a glance. In: Chemie Ingenieur Technik, 2010, 82, 6, 769 - 777, ISSN 1522. DOI: 10.1002/cite.201000063 - gives an overview of porous materials, which can be classified in particular by their pore size. Among other things, MOFs are described which have a significantly larger pore size than zeolites and show pore sizes in the mesopore range. MOFs with a hierarchical pore structure, which have both macro and meso and nanopores, are not disclosed.

HARTMANN, Martin [u.a.]: Adsoptive Separation of Isobutene and Isobutane on Cu3(BTC)2. In: Langmuir 2008, 24, 16 8643 - 8642. ISSN 0743-7463. - beschreibt die Herstellung von Kupferbasierten MOFs, u.a. mittels elektrochemischer Reaktion. Dabei wird das Linkermolekül im Elektrolyten vorgelegt und durch Elektrolyse mittels Kupferelektroden die MOF Verbindung hergestellt.HARTMANN, Martin [among others]: Adsoptive Separation of Isobutene and Isobutane on Cu 3 (BTC) 2 . In: Langmuir 2008, 24, 16 8643 - 8642. ISSN 0743-7463. - describes the production of copper-based MOFs, including by means of an electrochemical reaction. The linker molecule is placed in the electrolyte and the MOF connection is produced by electrolysis using copper electrodes.

Die elektrochemische Abscheidung von MOFs auf Metallen ist auch in Reviewartikeln besprochen worden (siehe u.a. AL-KUTUBI, Hanan [u.a.]: Electrosynthesis of metal-organic frameworks: opportunities. In: ChemElectroChem. 2015, Vol. 2, No. 4, S. 462-474. ISSN 2196-0216 (E). DOI: 10.1002/celc.201402429. oder. LI, Wei-Jin [u.a.]: Metal-organic framework thin films: Electrochemical fabrication techniques and corresponding applications & perspectives. In: Journal of A: Materials for Energy and Sustainability. 2016, Vol. 4, No. 32, S. 12356-12369. ISSN 2050-7488 (P); 2050-7496 (E). DOI: 10.1039/C6TA02118B). Campagnol et al. publizierten erstmals Untersuchungen zum Mechanismus der anodischen Abscheidung von metallorganischen Grundgerüsten. (CAMPAGNOL, Nicolö [u.a.]: On the electrochemical deposition of metal-organic frameworks. In: Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability. 2016, Vol. 4, No. 10, S. 3914-3925. ISSN 2050-7488 (P); 2050-7496(E). DOI: 10.1039/C5TA10782B).The electrochemical deposition of MOFs on metals has also been discussed in review articles (see e.g. AL-KUTUBI, Hanan [ua]: Electrosynthesis of metal-organic frameworks: opportunities. In: ChemElectroChem. 2015, Vol. 2, No. 4, p. 462-474 ISSN 2196-0216 (E) DOI: 10.1002/celc.201402429 or LI, Wei-Jin [ua]: Metal-organic framework thin films: Electrochemical fabrication techniques and corresponding applications & perspectives In: Journal of A: Materials for Energy and Sustainability 2016 Vol 4 No 32 pp 12356-12369 ISSN 2050-7488 (P) 2050-7496 (E) DOI: 10.1039/C6TA02118B). Campagnol et al. published for the first time investigations into the mechanism of anodic deposition of metal-organic frameworks. (CAMPAGNOL, Nicolö [et al.]: On the electrochemical deposition of metal-organic frameworks. In: Journal of Materials Chemistry A: Materials for Energy and Sustainability. 2016, Vol. 4, No. 10, pp. 3914-3925. ISSN 2050 -7488(P);2050-7496(E).DOI:10.1039/C5TA10782B).

Mit Erweiterung zu bipolarer Galvanotechnik ist auch die Beschichtung komplexer Bauteile beliebiger geometrischer Form möglich (siehe z. B. YADNUM, Sudarat [u.a.]: Site-selective synthesis of Janus-type metal-organicframework composites. In: Angewandte Chemie. 2014, Vol. 126, No. 15, S. 4082-4086. ISSN 0044-8249 (P); 1521-3757 (E). DOI: 10.1002/ange.201400581).With the expansion to bipolar electroplating, the coating of complex components of any geometric shape is also possible (see e.g. YADNUM, Sudarat [ua]: Site-selective synthesis of Janus-type metal-organic framework composites. In: Angewandte Chemie. 2014, Vol. 126, No. 15, pp. 4082-4086. ISSN 0044-8249 (P); 1521-3757 (E). DOI: 10.1002/anie.201400581).

Auf Oberflächen, die ausschließlich mit einer zusätzlichen Strukturierung im Mikro- und Nanometerbereich arbeiten, ist bei der Kondensation von Fluiden mit sehr niedriger Oberflächenspannung, im Gegensatz zur Kondensation von Wasserdampf, nicht unmittelbar mit einem gesteigerten Wärmeübergang zu rechnen. Stattdessen kommt es in diesen Fällen durch Tropfenbildung in den Zwischenräumen zum Fluten der Oberflächenstrukturierung und zur Ausbildung eines geschlossenen Kondensatfilms (Filmkondensation, siehe RYKACZEWSKI, Konrad [u.a.]: Dropwise condensation of low surface tension fluids on omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014, Vol. 4, Article number: 4158, S.1-8. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep04158).On surfaces that only work with an additional structure in the micro- and nanometer range, an increased heat transfer is not to be expected immediately during the condensation of fluids with very low surface tension, in contrast to the condensation of water vapour. Instead, in these cases, the formation of drops in the gaps floods the surface structure and forms a closed condensate film (film condensation, see RYKACZEWSKI, Konrad [ua]: Dropwise condensation of low surface tension fluids on omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014, 4, Article number: 4158, pp. 1-8. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep04158).

Die Ausbildung des Kondensatfilms kann verhindert werden, indem die mikro- und nanostrukturierten Oberflächen zusätzlich mit einem Öl bzw. Schmiermittel imprägniert werden.The formation of a condensate film can be prevented by additionally impregnating the micro- and nanostructured surfaces with an oil or lubricant.

Zur Herstellung der nanostrukturierten Oberflächen nutzen z. B. Rykaczewski et al. Siliziumsubstrate, die mit Aluminium-Nanopartikeln beschichtet werden. Nach Aufbringen eines Schmiermittels auf Basis von Fluorpolymeren, wurde für Lösungsmittel mit Oberflächenspannungen von 15 bis 28 mN/m ein verbesserter Wärmeübergang durch Tropfenkondensation beobachtet (siehe auch RYKACZEWSKI, Konrad [u.a.]: Dropwise condensation of low surface tension fluidson omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014, Vol. 4, Article number: 4158, S.1-8. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep04158; ANAND, Sushant [u.a.]: Enhanced condensation on lubricant-impregnated nanotextured surfaces. In: ACS Nano. 2012, Vol. 6, No. 11, S. 10122-10129. ISSN1936-0851 (P); 1936-086X (E). DOI: 10.1021/nn303867y; XIAO, Rong [u.a.]: Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer. In: Scientific Reports. 2013, Vol. 3, Article number: 1988, S. 1-6. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep01988).To produce the nanostructured surfaces use z. B. Rykaczewski et al. Silicon substrates coated with aluminum nanoparticles. After applying one Lubricants based on fluoropolymers, improved heat transfer through droplet condensation was observed for solvents with surface tensions of 15 to 28 mN/m (see also RYKACZEWSKI, Konrad [ua]: Dropwise condensation of low surface tension fluidson omniphobic surfaces. In: Scientific Reports. 2014 4, Article number: 4158, pp. 1-8 ISSN 2045-2322 (E) DOI: 10.1038/srep04158 ANAND, Sushant [ua]: Enhanced condensation on lubricant-impregnated nanotextured surfaces In: ACS Nano 2012, Vol 6, No 11, pp 10122-10129 ISSN1936-0851 (P) 1936-086X (E) DOI: 10.1021/nn303867y XIAO, Rong [ua]: Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer. In: Scientific Reports. 2013, Vol. 3, Article number: 1988, pp. 1-6. ISSN 2045-2322 (E). DOI: 10.1038/srep01988).

US 2013/ 0 220 813 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung imprägnierter mikro-/nanostrukturierter Oberflächen zur Verbesserung der Tropfenkondensation von Wasser oder Lösungsmitteln mit niedriger Oberflächenspannung. Mikro- oder nanostrukturierte Siliziumsubstrate werden dabei, je nach gewünschter Funktion mit ölbasierten oder wasserbasierten oder ionischen Flüssigkeiten oder perfluoralkylierten Silanen bedeckt, sodass superhydrophobe Oberflächen entstehen, die eine Tropfenbildung des Kondensats zulassen, ohne dass das Imprägniermittel dabei durch das Kondensat ausgewaschen oder ersetzt wird.US 2013/0 220 813 A1 describes a method for producing impregnated micro-/nanostructured surfaces to improve the droplet condensation of water or solvents with low surface tension. Depending on the desired function, micro- or nanostructured silicon substrates are covered with oil-based or water-based or ionic liquids or perfluoroalkylated silanes, resulting in superhydrophobic surfaces that allow the condensate to form droplets without the impregnating agent being washed out or replaced by the condensate.

Durch Strukturierung eines Grundmaterials mit niedriger Oberflächenenergie in Kombination mit einer Imprägnierung lassen sich auch Oberflächen mit omniphoben Eigenschaften erzeugen, die sich zusätzlich durch eine sehr geringe Haftung von Tropfen auf der Oberfläche auszeichnen. T.-S. Wong et al. beschreiben in ihrer Publikation die Beschichtung photolithographisch erzeugter nanostrukturierter Oberflächen mit Imprägniermitteln, um diese omniphob zu gestalten. Berichtet wird von „Lubricant-Infused Surfaces“ (LIS) bzw. „Slippery Lubricant Infused Porous Surfaces“ (SLIPS), welche eine verbesserte Tropfenkondensation aufzeigen. (WONG, Tak-Sing [u.a.]: Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressurestable omniphobicity. In: Nature. 2011, Vol. 477, No. 7365, S. 443-447. ISSN 0028-0836 (P); 1476-4687 (E). DOI: 10.1038/nature10447; siehe auch SMITH, J. David [u.a.]: Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. In: Soft Matter. 2013, Vol. 9, No. 6, S. 1772-1780. ISSN 1744-683X (P); 1744-6848 (E). DOI:10.1039/C2SM27032C. und PARK, Kyoo-Chul [u.a.]: Condensation on slippery asymmetric bumps. In: Nature. 2016, Vol. 531, No. 7592, S. 78-82. ISSN 0028-0836 (P); 1476-4687 (E). DOI:10.1038/nature16956).By structuring a base material with low surface energy in combination with impregnation, surfaces with omniphobic properties can also be produced, which are also characterized by very low adhesion of drops to the surface. T.-S. Wong et al. describe in their publication the coating of photolithographically generated nanostructured surfaces with impregnating agents in order to make them omniphobic. "Lubricant-Infused Surfaces" (LIS) and "Slippery Lubricant Infused Porous Surfaces" (SLIPS) are reported, which show improved droplet condensation. (WONG, Tak-Sing [ua]: Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressurestable omniphobicity. In: Nature. 2011, Vol. 477, No. 7365, pp. 443-447. ISSN 0028-0836 (P); 1476- 4687 (E) DOI: 10.1038/nature10447; see also SMITH, J. David [ua]: Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces. In: Soft Matter. 2013, Vol. 9, No. 6, pp. 1772-1780 ISSN 1744-683X (P) 1744-6848 (E) DOI:10.1039/C2SM27032C and PARK, Kyoo-Chul [ua]: Condensation on slippery asymmetric bumps In: Nature 2016, Vol. 7592, pp. 78-82 ISSN 0028-0836 (P);1476-4687 (E).DOI:10.1038/nature16956).

WO 2012/ 100 099 A2 offenbart die Darstellung von omniphoben Oberflächen, sogenannten „slippery liquid-infused porous surfaces“ (SLIPS), wobei ein Schmiermittel auf eine raue Oberfläche eines Substrats aufgetragen wird, wobei es in diese eindringt und sie gleichzeitig auch bedeckt. Dabei bildet sich an der Oberfläche eine flüssige äußere Schicht welche durch das Substrat immobilisiert wird und beispielsweise eine abweisende Oberfläche bildet.WO 2012/100 099 A2 discloses the representation of omniphobic surfaces, so-called "slippery liquid-infused porous surfaces" (SLIPS), in which a lubricant is applied to a rough surface of a substrate, penetrating it and also covering it at the same time. A liquid outer layer forms on the surface, which is immobilized by the substrate and forms a repellent surface, for example.

Das Material des Substrats ist dabei bevorzugt porös und kann ein Polymer, Metall, Edelstein, Glas, Kohlenstoff oder eine Keramik sein. Die raue Oberfläche kann dabei einen hierarchischen Aufbau mit mikro- und nanoskaligen Strukturen aufweisen.The material of the substrate is preferably porous and can be a polymer, metal, precious stone, glass, carbon or a ceramic. The rough surface can have a hierarchical structure with micro- and nanoscale structures.

Aus US 9 121 307 B2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von SLIPS bekannt. Dabei werden Metall-, Glas- oder Polymer-Substrate verwendet, deren Oberfläche mittels Anlagerung von Fasern oder Partikeln oder elektrochemischer Abscheidung von Polymeren rau oder porös gestaltet werden. Auch die aufeinanderfolgende Abscheidung von Nano- oder Mikropartikeln auf den Substraten führt zu ausreichend strukturierten Oberflächen. Die so strukturierte Oberfläche wird zusätzlich beispielsweise mit einem Perfluorkohlenstoff-ÖI, chemisch funktionalisiert und anschließend mit einem hydrophoben Schmiermittel bedeckt, bestehend aus Flüssigkeiten, die eine hohe Affinität zur unterliegenden Oberfläche aufweisen, um das Schmiermittel zu immobilisieren. Die so hergestellten Oberflächen weisen, je nach Art des Imprägniermittels, eine hohe Phobizität gegen verschiedene Arten von Gasen und Flüssigkeiten auf.the end U.S. 9,121,307 B2 a method for the production of SLIPS is also known. Metal, glass or polymer substrates are used, the surface of which is made rough or porous by adding fibers or particles or by electrochemical deposition of polymers. The successive deposition of nano or microparticles on the substrates also leads to sufficiently structured surfaces. The surface structured in this way is additionally chemically functionalized, for example with a perfluorocarbon oil, and then covered with a hydrophobic lubricant, consisting of liquids which have a high affinity for the underlying surface, in order to immobilize the lubricant. Depending on the type of impregnation agent, the surfaces produced in this way have a high phobicity against various types of gases and liquids.

Neben glatten omniphoben Oberflächen mit vollfluorierten Beschichtungen stellt also auch die Imprägnierung nanostrukturierter Oberflächen mit fluorhaltigen Imprägniermitteln eine attraktive Vorgehensweise zur effizienten Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 20 mN/m dar.In addition to smooth, omniphobic surfaces with fully fluorinated coatings, the impregnation of nanostructured surfaces with fluorine-containing impregnating agents also represents an attractive approach for efficient droplet condensation of fluids with a surface tension of < 20 mN/m.

Nachteilig konnten diese Beschichtungsverfahren nur auf regelmäßigen Substraten angewendet werden. Komplex gebaute Bauteile, wie die Oberfläche eines Wärmeübertragers sind auf diese Weise nicht funktionalisierbar.Disadvantageously, these coating processes could only be used on regular substrates. Complex components, such as the surface of a heat exchanger, cannot be functionalized in this way.

Aus US 2 919 115 A sind imprägnierte poröse Kondensatoroberflächen bekannt, die eine effiziente Tropfenkondensation ermöglichen. Dafür werden Metallsubstrate zunächst einem nasschemischen Ätz- und Beizprozess unterzogen, um die Oberfläche porös zu gestalten. Eine anschließende Inkubation des Bauteils in einem hydrophoben Imprägniermittel, wie beispielsweise Ölsäure, führt zu einer hydrophoben Beschichtung, die aufgrund der Porosität der Oberfläche gut auf dem Substrat haftet. Gleichzeitig bilden die Poren eine Art Reservoir für das Imprägniermittel, sodass dieses über Kapillarkräfte immer wieder zur Oberfläche des Substrats transportiert werden kann, um eventuell mit dem Wasserdampf abgetragenes Imprägniermittel zu ersetzen. Damit wird eine konstante Hydrophobizität der Oberfläche gewährleistet. Nachteilig erfolgt der Ätz- und Beizprozess unter der Verwendung von Chromschwefelsäure, einer prozesstechnisch äußerst problematischen Chemikalie.the end U.S. 2,919,115 A impregnated porous condenser surfaces are known which enable efficient droplet condensation. For this purpose, metal substrates are first subjected to a wet-chemical etching and pickling process in order to make the surface porous. Subsequent incubation of the component in a hydrophobic impregnating agent, such as oleic acid, leads to a hydrophobic coating that adheres well to the substrate due to the porosity of the surface. At the same time, the pores form a kind of reserve voir for the impregnating agent, so that it can be transported again and again to the surface of the substrate via capillary forces in order to replace any impregnating agent that may have been removed with the water vapour. This ensures constant hydrophobicity of the surface. The disadvantage of the etching and pickling process is that it uses chromic sulfuric acid, a chemical that is extremely problematic in terms of process technology.

In MOFs können die Metallionen mehrdimensional über organische Linkermoleküle verknüpft sein. Diese Linkermoleküle können wiederum mehrere koordinierende funktionelle Gruppen aufweisen (S. BAUER, Sebastian; STOCK, Norbert: MOFs - Metallorganische Gerüststrukturen. Funktionale poröse Materialien. In: Chemie in unserer Zeit. 2008, Bd. 42, H. 1, S. 12-19. ISSN 0009-2851 (P); 1521-3781 (E). DOI: 10.1002/ciuz.200800434). Aufgrund der koordinativen Bindungsverhältnisse und der organischen Moleküle in der Struktur weisen MOFs meist moderate Oberflächenenergien auf. Durch Modifizierung der Linker, wie z. B. Einführung von Ringsubstituenten bei aromatischen Systemen, ist es möglich, die physikochemischen Eigenschaften derMOFs für individuelle Anwendungen anzupassen (MAJI, Tapas Kumar; KITAGAWA, Susumu: Chemistry of porous coordination polymers. In: Pure and Applied Chemistry. 2007, Vol. 79, No. 12, S. 2155-2177. ISSN0033-4545 (P); 1365-3075 (E). DOI: 10.1351/pac200779122155).In MOFs, the metal ions can be linked multidimensionally via organic linker molecules. These linker molecules can in turn have several coordinating functional groups (S. BAUER, Sebastian; STOCK, Norbert: MOFs - Metallo-organic framework structures. Functional porous materials. In: Chemie ineuer Zeit. 2008, Vol. 42, H. 1, p. 12- 19. ISSN 0009-2851 (P);1521-3781 (E).DOI: 10.1002/ciuz.200800434). MOFs usually have moderate surface energies due to the coordination bonding and the organic molecules in the structure. By modifying the linkers, such as. B. Introduction of ring substituents in aromatic systems, it is possible to adapt the physicochemical properties of the MOFs for individual applications (MAJI, Tapas Kumar; KITAGAWA, Susumu: Chemistry of porous coordination polymers. In: Pure and Applied Chemistry. 2007, Vol. 79, No. 12, pp. 2155-2177. ISSN0033-4545 (P); 1365-3075 (E). DOI: 10.1351/pac200779122155).

Bezüglich hydrophober Oberflächenbeschichtungen sind aus der Literatur bisher nur MOF-Pulver oder MOF-Beschichtungen auf Glas mit hydrophoben oder superhydrophoben Eigenschaften bekannt. So beschreiben z. B. Meng et al. die Herstellung superhydrophober und somit superoleophiler Oberflächen durch Imprägnierung von Glasoberflächen, auf die MOF-Pulverpartikel mittels Tauchbeschichtung aufgebracht wurden, mit Stearinsäure und einem Perfluoralkylsilan (MENG, Wen [u.a.]: Porous coordination polymer coatings fabricated from Cu3(BTC)2·3 H2O with excellent superhydrophobic and superoleophilic properties. In: New Journal of Chemistry. 2016, Vol. 40, No. 12, S. 10554-10559. ISSN 0398-9836(P); 1369-9261 (E). DOI: 10.1039/C6NJ02717B).With regard to hydrophobic surface coatings, only MOF powders or MOF coatings on glass with hydrophobic or superhydrophobic properties are known from the literature. To describe e.g. B. Meng et al. the production of superhydrophobic and thus superoleophilic surfaces by impregnating glass surfaces onto which MOF powder particles have been dip-coated with stearic acid and a perfluoroalkylsilane (MENG, Wen [ua]: Porous coordination polymer coatings fabricated from Cu 3 (BTC) 2 3 H 2 O with excellent superhydrophobic and superoleophilic properties. In: New Journal of Chemistry. 2016, Vol. 40, No. 12, pp. 10554-10559. ISSN 0398-9836(P); 1369-9261 (E). DOI: 10.1039 /C6NJ02717B).

Weitere Publikationen widmen sich der Hydrophobisierung von MOF-Pulvern, wie CHEN, Teng-Hao [u.a.]: Superhydrophobic perfluorinated metal-organic frameworks. In: Chemical Communications : ChemComm. 2013, Vol. 49, No. 61, S. 6846-6848.ISSN 0009-241X (P); 1364-548X (E). DOI: 10.1039/C3CC41564C oder NGUYEN, Joseph G.; COHEN, Seth M.: Moisture-resistant and superhydrophobic metal-organic frameworks obtained via postsynthetic modification. In: Journal of the American Chemical Society. 2010, Vol. 132, No. 13, S. 4560-4561. ISSN 0002-7863(P); 1520-5126 (E). DOI: 10.1021/ja100900c.Further publications are dedicated to the hydrophobicization of MOF powders, such as CHEN, Teng-Hao [et al.]: Superhydrophobic perfluorinated metal-organic frameworks. In: Chemical Communications: ChemComm. 2013, Vol. 49, No. 61, pp. 6846-6848.ISSN 0009-241X (P); 1364-548X (E). DOI: 10.1039/C3CC41564C or NGUYEN, Joseph G.; COHEN, Seth M.: Moisture-resistant and superhydrophobic metal-organic frameworks obtained via postsynthetic modification. In: Journal of the American Chemical Society. 2010, Vol. 132, No. 13, pp. 4560-4561. ISSN 0002-7863(P); 1520-5126(E). DOI: 10.1021/ja100900c.

Die (super-)hydrophoben Eigenschaften der MOF-Pulver werden durch prä- oder postsynthetische Funktionalisierung der Linkermoleküle oder Imprägnierung erreicht. Bei Beschichtungen wird die Hydrophobizität zusätzlich durch Größenunterschiede von zusammengelagerten MOF-Partikeln im Mikrometerbereich begünstigt. Gegenüber Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung (z. B. übliche Kälte- und Lösungsmittel) sind bisherige (super-)hydrophobe MOF-Beschichtungen jedoch nicht abweisend, sondern es tritt sogar eine vollständige Benetzung ein. Die Oberflächen würden bei der Kondensation durch Keimbildung innerhalb der porösen Oberflächenstrukturen vom Kondensat „geflutet“ und es käme zur Filmkondensation.The (super-)hydrophobic properties of the MOF powders are achieved by pre- or post-synthetic functionalization of the linker molecules or by impregnation. In the case of coatings, the hydrophobicity is additionally favored by size differences of the assembled MOF particles in the micrometer range. However, previous (super)hydrophobic MOF coatings are not repellent to liquids with a low surface tension (e.g. common refrigerants and solvents), and complete wetting actually occurs. During condensation, the surfaces would be “flooded” by the condensate due to nucleation within the porous surface structures and film condensation would occur.

Bei schmiermittelimprägnierten Oberflächen (LIS) ist dagegen eine Tropfenkondensation von Fluiden mit geringer Oberflächenspannung möglich. Diese wurden jedoch bisher nur durch aufwändige, z. B. photolithographische Nanostrukturierungsprozesse hergestellt. Bei den bekannten LIS wird zudem mit einer hydrophoben Funktionalisierung des Grundmaterials gearbeitet. Nachteilig weisen die so aufgebrachten Beschichtungen eine geringe mechanische Stabilität auf. Die Schmiermittel werden von der photolithographisch strukturierten Oberfläche teilweise durch die kondensierenden Flüssigkeiten wieder abgetragen oder ausgewaschen. Beschichtungsverfahren für komplexe Bauteile sind zudem mit diesen Verfahren nicht möglich.On the other hand, droplet condensation of fluids with low surface tension is possible on lubricant-impregnated surfaces (LIS). So far, however, these have only been achieved by complex, e.g. B. photolithographic nanostructuring processes. The known LIS also work with a hydrophobic functionalization of the base material. The disadvantage of the coatings applied in this way is that they have low mechanical stability. The lubricants are partially removed or washed out from the photolithographically structured surface by the condensing liquids. Coating processes for complex components are also not possible with these processes.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung stabiler, omniphober Oberflächenbeschichtungen bereitzustellen, die u.a. eine effiziente Tropfenkondensation von organischen und/oder wasserfreien Fluiden mit einer niedrigen Oberflächenspannung ermöglichen.The object of the invention is to provide a simple method for producing stable, omniphobic surface coatings which, among other things, enable efficient droplet condensation of organic and/or anhydrous fluids with a low surface tension.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten

  • - Elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel,
  • - Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung wobei das Metallion
    1. i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist und/oder
    2. ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert wird und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt wird und wobei das Bauteil
      1. a) gleichzeitig Elektrode ist oder
      2. b) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird,

wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist,
wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von <30 mN/m aufweist.The object is achieved by a method for coating components with an omniphobic surface coating containing at least one metal-organic framework compound and an impregnating agent, with the steps
  • - Electrochemical deposition of the metal-organic framework on the component by means of electrolysis, from an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent,
  • - Applying an impregnating agent to the metal-organic framework, wherein the metal ion
    1. i) is dissolved as a metal ion salt in the electrolyte solution and/or
    2. ii) is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the component and the electrolytic solution and/or is provided in the electrolytic solution and the component
      1. a) is also an electrode or
      2. b) is introduced into an electric field between at least two electrodes,

wherein the linker compound is an organic, at least monodentate compound,
whereby the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN/m.

Die Herstellung der omniphoben Oberflächenbeschichtung auf dem Bauteil erfolgt erfindungsgemäß durch elektrochemische Abscheidung einer Schicht aus mindestens einer metallorganischen (Gerüst)Verbindung und anschließendes Aufbringen eines Imprägniermittels.According to the invention, the omniphobic surface coating is produced on the component by electrochemical deposition of a layer of at least one metal-organic (framework) compound and subsequent application of an impregnating agent.

Erfindungsgemäß erfolgt im ersten Schritt die elektrochemische Abscheidung der metallorganischen (Gerüst)Verbindung auf der Oberfläche des Bauteils.According to the invention, the first step is the electrochemical deposition of the metal-organic (framework) compound on the surface of the component.

Dabei muss mindestens ein Bestandteil der MOF-Beschichtung (Linkerverbindung und/oder Metallion) an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung gebildet werden, um den Beschichtungsvorgang zu initiieren.At least one component of the MOF coating (linker compound and/or metal ion) must be formed at the interface between the component and the electrolyte solution in order to initiate the coating process.

In einer Ausführungsform erfolgt die elektrochemische Abscheidung potentiostatisch, galvanostatisch und/oder mit Strom- und/oder mit Spannungspulsen. Potentiostatisch und galvanostatische Prozessführung sind bevorzugt für homogene Beschichtungen. Gepulste Prozessführung wird vorzugsweise für strukturierte Beschichtungen eingesetzt, bei denen Abstände von mehreren Mikrometern zwischen beschichteten Bereichen erzeugt werden.In one embodiment, the electrochemical deposition takes place potentiostatically, galvanostatically and/or with current and/or with voltage pulses. Potentiostatic and galvanostatic process control are preferred for homogeneous coatings. Pulsed processing is preferably used for structured coatings where distances of several micrometers are generated between coated areas.

Dazu wird das Bauteil entweder in eine Elektrolytlösung getaucht und/oder mit einer Elektrolytlösung befüllt.For this purpose, the component is either immersed in an electrolyte solution and/or filled with an electrolyte solution.

Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel.According to the invention, the electrolyte solution contains at least one linker compound and a solvent.

Metallorganische Gerüstverbindungen werden aus Metallionen und organischen Molekülen (Linkerverbindungen) gebildet, welche als Verbindungselemente zwischen den Metallionen, welche Knotenpunkte bilden, fungieren. Die Linkerverbindungen gehen dabei koordinative Bindungen mit dem Metallion ein und es können ein-, zwei- und dreidimensional Netzwerke ausgebildet werden.Metal-organic frameworks are formed from metal ions and organic molecules (linker compounds), which act as connecting elements between the metal ions forming nodes. The linker compounds enter into coordinate bonds with the metal ion and one-, two- and three-dimensional networks can be formed.

Erfindungsgemäß ist die Linkerverbindung eine mindestens einzähnige, organische Verbindung oder eine Mischung mehrerer dieser Verbindungen.According to the invention, the linker compound is an at least monodentate organic compound or a mixture of several of these compounds.

Der Begriff „mindestens einzähnige“ organische Verbindung, bezeichnet eine organische Verbindung, die mindestens eine funktionelle Gruppe enthält, die in der Lage ist, mit einem gegebenen Metallion mindestens eine koordinative Bindung, auszubilden.The term “at least monodentate” organic compound refers to an organic compound that contains at least one functional group that is capable of forming at least one coordinate bond with a given metal ion.

Im Sinne der Erfindung werden auch Komplexverbindungen als metallorganische Gerüstverbindung bezeichnet, bei denen die organischen Linkermoleküle nur eine funktionelle Gruppe enthalten, die in der Lage ist, mit einem Metallion eine koordinative Bindung einzugehen, bzw. welche mit jeweils nur einer funktionellen Gruppe am Metallion koordinieren. Ein Gerüst kann dabei trotzdem entstehen, weil zwei Linkermoleküle beispielsweise durch Wasserstoffbrückenbindung miteinander verbunden sein können. Diese 2 einzähnigen Linker bilden dann eine Koordinationseinheit, die im Ergebnis wie eine zweizähnige Linkerverbindung funktioniert.For the purposes of the invention, complex compounds are also referred to as metal-organic frameworks in which the organic linker molecules contain only one functional group capable of forming a coordinate bond with a metal ion, or which coordinate with only one functional group on the metal ion. A framework can still be formed because two linker molecules can be connected to one another, for example by hydrogen bonds. These 2 monodentate linkers then form a coordination unit, which as a result functions like a bidentate linker compound.

In einer Ausführungsform enthält die organische, mindestens einzähnige Verbindung mindestens eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus Carboxylatgruppen, Sulfonatgruppen, Phosphonatgruppen, Imidazolatgruppen, Pyridingruppen, Phenanthrolingruppen, Triazolatgruppen und/oder Tetrazolatgruppen.In one embodiment, the organic, at least monodentate compound contains at least one functional group selected from carboxylate groups, sulfonate groups, phosphonate groups, imidazolate groups, pyridine groups, phenanthroline groups, triazolate groups and/or tetrazolate groups.

In einer Ausführungsform ist die Linkerverbindung ein Imdidazolat.In one embodiment, the linking compound is an imidazolate.

In einer Ausführungsform ist die Linkerverbindung ausgewählt aus
1,4-Benzendicarboxylaten (BDC)
Tetramethyl-1,4-benzendicarboxylaten (TBDC)
2-Amino-1,4-benzendicarboxylaten (NH2-BDC)
1,3,5-Benzentricarboxylaten (BTC)
2,6-Naphthalendicarboxylaten (NDC)
Biphenyl-3,4',5-tricarboxylaten (BPT)
2'-Fluoro-biphenyl-3,4'-5-tricarboxylaten Benzen-2,5-dihydroxy-1,4-dicarboxylaten (dhbcd)
2,5-Dimethoxy-1,4-benzendicarboxylaten (DMBDC)
Benzenhexacarboxylaten (BHC)
Furan-2,5-dicarboxylaten (fdc)
Pyridine-2,6-dicarboxylaten (pda, dpa)
4-Hydroxyquinoline-2-carboxylaten (hqc)
2,2'-Biquinoline-4,4'-dicarboxylaten (bqdc)
3-Hydroxypyrazine-2-carboxylaten (hpzc)
2,3-Pyrazindicarboxylaten (pza)
Imidazole-4,5-dicarboxylaten (IDC)
4,5-Imidazoldicarboxylaten (imidc)
2-Propyl-1H-imidazol-4,5-dicarboxylaten (Hpimda)
4-(1H-Tetrazol-5-yl)-biphenyl-3-carboxylaten (tbca)
Thiophen-2,5-dicarboxylaten (TDC, TDA)
9,9-Dimethylfluoren-2,7-dicarboxylaten (MFDA)
Polychlorotriphenylmethyltricarboxylatradikalen (PTMTC)
1,5-Naphtalendisulfonaten (1,5-NDS)
2,6-Naphtalendisulfonaten (2,6-NDS)
Anthrachinone-2,6-disulfonaten (AQDS)
4,4'-Oxybenzoaten (OBA)
3,5-Disulfobenzoaten (dsb)
4,4',4"-S-triazine-2,4,6-triyl-tribenzoaten (TATB)
1,3,5-Benzentrisbenzoaten (BTB)
4,4'-Biphenyldicarboxylsäuren (BPDC)
Cis-1,3,5-cyclohexanetricarboxylsäuren (CTC)
Pyrazindicarboxylsäuren (H2pzdc)
1,1'-Phenanthroline-2,9-dicarboxylsäuren (H2phenDCA)
2,5-Pyridindicarboxylsäuren (H2pydc)
4,5-Imidazoldicarboxylsäuren (H3ImDC)
4,4'-Bipyridine-2,2',6,6'-tetracarboxylsäuren (H4BPTCA)
4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)bis(benzoesäuren) (H2hfipbb)
4,4-[(2,5-Dimethoxy-1,4-phenylene)-di-2,1-ethenediyl]bisbenzoesäuren (H2pvdc)
(Carboxymethyl)iminodi(methylphosphonsäuren) (H2cmp)
2-Aminoterephtalsäuren (H2ATPT)
Etidronsäuren (H5hedp)
2-(Carboxylsäure)-6-(2-benzimidazolyl)pyridinen (Hcbmp)
Phosphonoessigsäuren (H3PPA)
Tris-(4-carboxyphenyl)-phosphinoxiden (H3TPO)
Tris-(benzimidazol-2-ylmethyl)aminen (ntb)
1,4-Phenylendiacetaten (pda)
1,1',1"-(2,4,6)-trimethylbenzen-1,3,5-triyl)tris(methylene)tripyridinium-4-oleaten (TTP)
1,1'-Phenanthrolinen (phen)
1,3-Benzenditetrazol-5-ylen (m-BDTH)
5-(Pyridin-4-yl)isophtalaten (PIA)
5-Tert-butyliisophtalaten (tip)
Methylisophtalaten (mip)
Imidazolaten (Im)
1,2,3-Triazolaten (Tz)
4,4'-Bipyridinen (bipy)
1,2,3-Triazolato[4,5-b]pyridinen (tzpy)
Tricarboxylato-triphenylaminen (tca)
Adipaten (ad)
2-Fluoro-4-(1H-tetrazol-5-yl)benzoaten (FTZB)
4,4',4"-(Benzentricarbonyltris-(azanediyl))tribenzoaten (BTATB)
1,1',1"-(Benzen-1,3,5-triyl)tripiperidine-4-carboxylaten (BTPCA)
1,10-Bis(4-carboxybenzyl)-4,40-bipyridinen (BPYBC)
Glutaraten (glu)
Succinaten (succ)
Isonicotinaten (Ina)
Fumaraten (fma)
In one embodiment, the linker compound is selected from
1,4-Benzenedicarboxylates (BDC)
Tetramethyl-1,4-benzenedicarboxylates (TBDC)
2-amino-1,4-benzenedicarboxylates (NH 2 -BDC)
1,3,5-Benzene Tricarboxylates (BTC)
2,6-Naphthalenedicarboxylates (NDC)
Biphenyl-3,4',5-tricarboxylates (BPT)
2'-Fluoro-biphenyl-3,4'-5-tricarboxylates Benzene-2,5-dihydroxy-1,4-dicarboxylates (dhbcd)
2,5-dimethoxy-1,4-benzenedicarboxylates (DMBDC)
Benzene Hexacarboxylates (BHC)
Furan-2,5-dicarboxylates (fdc)
Pyridine-2,6-dicarboxylates (pda, dpa)
4-Hydroxyquinoline-2-carboxylates (hqc)
2,2'-biquinoline-4,4'-dicarboxylates (bqdc)
3-Hydroxypyrazine-2-carboxylates (hpzc)
2,3-pyrazinedicarboxylates (pza)
Imidazole-4,5-dicarboxylates (IDC)
4,5-imidazoledicarboxylates (imidc)
2-propyl-1H-imidazole-4,5-dicarboxylates (Hpimda)
4-(1H-Tetrazol-5-yl)-biphenyl-3-carboxylates (tbca)
Thiophene-2,5-dicarboxylates (TDC, TDA)
9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylates (MFDA)
Polychlorotriphenylmethyltricarboxylate radicals (PTMTC)
1,5-Naphthalenedisulfonates (1,5-NDS)
2,6-Naphthalenedisulfonates (2,6-NDS)
Anthraquinone-2,6-disulfonates (AQDS)
4,4'-oxybenzoates (OBA)
3,5-disulfobenzoates (dsb)
4,4',4"-S-triazine-2,4,6-triyl-tribenzoates (TATB)
1,3,5-benzenetribenzoates (BTB)
4,4'-biphenyldicarboxylic acids (BPDC)
Cis-1,3,5-cyclohexanetricarboxylic acids (CTC)
Pyrazinedicarboxylic Acids (H 2 pzdc)
1,1'-Phenanthroline-2,9-dicarboxylic acids (H 2 phenDCA)
2,5-pyridinedicarboxylic acids (H 2 pydc)
4,5-imidazoledicarboxylic acids (H 3 ImDC)
4,4'-bipyridine-2,2',6,6'-tetracarboxylic acids (H 4 BPTCA)
4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)bis(benzoic acids) (H 2 hfipbb)
4,4-[(2,5-Dimethoxy-1,4-phenylene)-di-2,1-ethenediyl]bisbenzoic acids (H 2 pvdc)
(carboxymethyl)iminodi(methylphosphonic acids) (H 2 cmp)
2-aminoterephthalic acids (H 2 ATPT)
Etidronic acids (H 5 hedp)
2-(carboxylic acid)-6-(2-benzimidazolyl)pyridines (Hcbmp)
Phosphonoacetic Acids (H 3 PPA)
Tris-(4-carboxyphenyl)phosphine oxides (H 3 TPO)
Tris-(benzimidazol-2-ylmethyl)amines (ntb)
1,4-phenylenediacetates (pda)
1,1',1"-(2,4,6)-trimethylbenzene-1,3,5-triyl)tris(methylene)tripyridinium-4-oleates (TTP)
1,1'-Phenanthrolines (phen)
1,3-Benzeneditrazol-5-ylene (m-BDTH)
5-(Pyridin-4-yl)isophthalates (PIA)
5-tert-butyl isophthalates (tip)
methyl isophthalates (mip)
Imidazolates (Im)
1,2,3-Triazolates (Tz)
4,4'-bipyridines (bipy)
1,2,3-triazolato[4,5-b]pyridines (tzpy)
Tricarboxylato-triphenylamines (tca)
adipates (ad)
2-Fluoro-4-(1H-tetrazol-5-yl)benzoates (FTZB)
4,4',4"-(Benzenetricarbonyltris(azanediyl))tribenzoates (BTATB)
1,1',1"-(Benzene-1,3,5-triyl)tripiperidine-4-carboxylates (BTPCA)
1,10-bis(4-carboxybenzyl)-4,40-bipyridines (BPYBC)
Glutarates (glu)
Succinates (succ)
isonicotinates (Ina)
fumarates (fma)

In einer Ausführungsform wird die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet.In one embodiment, the linker compound is formed from at least one linker precursor compound during electrolysis.

Im Sinne der Erfindung ist eine Linkervorläuferverbindung eine Verbindung, aus welcher durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ die korrespondierende Linkerverbindung generiert wird. Dies kann beispielsweise durch elektrolytische oder elektrolytisch induzierte Substitution, Addition, Reduktion, Spaltung, Ringschlussreaktion, Ringöffnungsreaktion, Deprotonierung, Protonenübertragung und/oder Radikalreaktion erfolgen.Within the meaning of the invention, a linker precursor compound is a compound from which the corresponding linker compound is generated in situ by an electrochemical reaction and/or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction. This can be done, for example, by electrolytic or electrolytically induced substitution, addition, reduction, cleavage, ring closure reaction, ring opening reaction, deprotonation, proton transfer and/or radical reaction.

In einer Ausführungsform ist die Linkervorläuferverbindung ausgewählt aus den freien Säuren oder Anhydriden der Linkerverbindung. Die Linkervorläuferverbindungen für die Linkerverbindungen Imidazolate, Triazolate und Tetrazolate sind jeweils deren korrespondierende Imidazole, Triazole oder Tetrazole.In one embodiment, the linker precursor compound is selected from the free acids or anhydrides of the linker compound. The linker precursor compounds for the linker compounds imidazolates, triazolates and tetrazolates are their corresponding imidazoles, triazoles or tetrazoles, respectively.

In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtkonzentration der Linkerverbindung und/oder Linkervorläuferverbindung in der Elektrolytlösung 0,001 mol/l bis 2,500 mol/l, bevorzugt 0,01 mol/l bis 1,5 mol/l, besonders bevorzugt 0,01 mol/l bis 0,5 mol/l.In one embodiment, the total concentration of the linker compound and/or linker precursor compound in the electrolyte solution is 0.001 mol/l to 2.500 mol/l, preferably 0.01 mol/l to 1.5 mol/l, particularly preferably 0.01 mol/l to 0 .5 mol/l.

In einer Ausführungsform wird durch die elektrochemische Umsetzung mindestens eines Bestandteils der Elektrolytlösung während der Elektrolyse die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der Linkervorläuferverbindung ausgelöst.In one embodiment, the chemical reaction for forming the linker compound from the linker precursor compound is triggered by the electrochemical conversion of at least one component of the electrolyte solution during the electrolysis.

Bestandteil der Elektrolytlösung sind beispielsweise Metallionensalz, Leitsalz, Lösungsmittel und/oder strukturdirigierendes Additiv.Components of the electrolyte solution are, for example, metal ion salts, conductive salts, solvents and/or structure-directing additives.

Beispielsweise kann sich durch die kathodische Reduktion eines Nitratsalzes in der Elektrolytlösung, bei welcher Hydroxidionen gebildet werden, der pH-Wert soweit ändern, dass z. B. Säuregruppen deprotoniert werden und beispielsweise aus den freien Carbonsäuren die Linkercarboxylate entstehen.For example, the cathodic reduction of a nitrate salt in the electrolyte solution, in which hydroxide ions are formed, can change the pH to such an extent that z. B. acid groups are deprotonated and, for example, the linker carboxylates are formed from the free carboxylic acids.

In einer Ausführungsform erfolgt die Deprotonierung von Säure- oder Imidazolgruppen durch Änderung des pH-Wertes, beispielsweise durch Wasserzersetzung bei der Elektrolyse.In one embodiment, acid or imidazole groups are deprotonated by changing the pH, for example by water decomposition during electrolysis.

Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens ein Lösungsmittel. Erfindungsgemäß umfasst der Begriff Lösungsmittel reine Lösungsmittel, die nur eine Lösungsmittelkomponente umfassen, sowie Lösungsmittelgemische, das heißt Mischungen aus mindestens zwei Lösungsmittelkomponenten.According to the invention, the electrolytic solution contains at least one solvent. According to the invention, the term solvent includes pure solvents, which comprise only one solvent component, as well as solvent mixtures that is, mixtures of at least two solvent components.

Als Lösungsmittel sind grundsätzlich alle Lösungsmittel und/oder alle Lösungsmittelgemische denkbar, in denen sich die im Verfahren eingesetzten Edukte unter den gewählten Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur lösen lassen.In principle, all solvents and/or all solvent mixtures in which the starting materials used in the process can be dissolved under the selected reaction conditions, such as pressure and temperature, are conceivable as solvents.

In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittel ausgewählt aus Wasser; Alkoholen, Carbonsäuren, Nitrilen, Ketonen, halogenierten Alkanen, Säureamiden, Aminen, Sulfoxiden, Pyridin, N-Formylamiden, N-Acylamiden, aliphatischen Ethern und/oder cyclischen Ethern und/oder deren Gemischen.In one embodiment, the solvent is selected from water; Alcohols, carboxylic acids, nitriles, ketones, halogenated alkanes, acid amides, amines, sulfoxides, pyridine, N-formylamides, N-acylamides, aliphatic ethers and/or cyclic ethers and/or mixtures thereof.

In einer Ausführungsform fungieren Lösungsmittelmoleküle gleichzeitig als Linkervorläuferverbindungen.In one embodiment, solvent molecules also function as linker precursors.

In einer Ausführungsform enthält die Elektrolytlösung zusätzlich ein Leitsalz und/oder strukturdirigierendes Additiv.In one embodiment, the electrolyte solution additionally contains a conductive salt and/or structure-directing additive.

Als Leitsalz oder Leitadditiv werden Verbindungen bezeichnet, welche die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung heraufsetzen, um die Homogenität der elektrochemisch abgeschiedenen Beschichtung zu beeinflussen. Durch eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Elektrolytlösung wird der ohmsche Widerstand während der Abscheidung gesenkt, was dazu führt, dass das elektrische Feld homogener ist. Dies führt zu einer gleichmäßigeren (räumlichen) Verteilung des Auflösungsstroms und damit zu einer abgeschiedenen Beschichtung, die vor allem bezüglich der Schichtdicke gleichmäßiger strukturiert ist.Conductive salts or conductive additives are compounds that increase the conductivity of the electrolyte solution in order to influence the homogeneity of the electrochemically deposited coating. Increasing the conductivity of the electrolyte solution lowers the ohmic resistance during deposition, which means that the electric field is more homogeneous. This leads to a more uniform (spatial) distribution of the dissolution current and thus to a deposited coating that is structured more uniformly, especially with regard to the layer thickness.

Im Sinne der Erfindung versteht man unter einem Leitsalz auch eine Mischung mehrerer Leitsalze.For the purposes of the invention, a conductive salt is also understood to mean a mixture of several conductive salts.

In einer Ausführungsform ist das Leitsalz ausgewählt aus organischen und/oder anorganischen Salzen.In one embodiment, the conductive salt is selected from organic and/or inorganic salts.

In einer Ausführungsform ist das organische Salz ausgewählt aus organischen Sulfaten, Sulfonaten, Boraten, Phosphaten, Phosphonaten, Carboxylaten und/oder Ammoniumsalzen. In einer Ausführungsform sind die Ammoniumsalze ausgewählt aus ammoniumtensidischen Salzen.In one embodiment, the organic salt is selected from organic sulfates, sulfonates, borates, phosphates, phosphonates, carboxylates and/or ammonium salts. In one embodiment, the ammonium salts are selected from ammonium surfactant salts.

Ammoniumtensidisch im Sinne der Erfindung sind Salze, enthaltend quaternäre Ammoniumionen NR4 +, wobei R ausgewählt ist aus H und/oder Alkyl, wobei alle R gleich oder verschieden voneinander sein können und wobei mindestens ein Rest R mindestens 2 C-Atome enthält.According to the invention, ammonium surfactants are salts containing quaternary ammonium ions NR 4 + , where R is selected from H and/or alkyl, where all R can be the same or different and where at least one R radical contains at least 2 carbon atoms.

In einer Ausführungsform sind die Ammoniumsalze ausgewählt aus ammoniumtensidischen Methylsulfaten, bevorzugt Methyltributylammonium-methylsulfat, Ammoniumhydroxiden, bevorzugt Tetrabutylammoniumhydroxid, ammoniumtensidischen Tetrafluoroboraten, bevorzugt Tetrabutylammonium-tetrafluoroborat und ammoniumtensidischen Hexafluorophosphaten, bevorzugt Tetrabutylammonium-hexafluorophosphat.In one embodiment, the ammonium salts are selected from ammonium surfactant methyl sulfates, preferably methyltributylammonium methyl sulfate, ammonium hydroxides, preferably tetrabutylammonium hydroxide, ammonium surfactant tetrafluoroborates, preferably tetrabutylammonium tetrafluoroborate, and ammonium surfactant hexafluorophosphates, preferably tetrabutylammonium hexafluorophosphate.

In einer Ausführungsform sind die Carboxylate ausgewählt aus Acetaten und/ oder Oxalaten.In one embodiment, the carboxylates are selected from acetates and/or oxalates.

In einer Ausführungsform ist das anorganische Salz ausgewählt aus Nitraten, Nitriten, Sulfaten, Sulfiten, Disulfiten, Sulfiden, Carbonaten, Hydrogencarbonaten, Phosphaten, Hydrogenphosphaten, Dihydrogenphosphaten, Pyrophosphaten, Chromaten, Cyanosalzen, Hydroxiden, Chloriden, Perchloraten, Chloraten, Bromiden, Bromaten, Tetrafluoroboraten, Iodiden, lodaten und/oder Fluoriden, bevorzugt aus Nitraten und/oder Sulfaten.In one embodiment, the inorganic salt is selected from nitrates, nitrites, sulfates, sulfites, disulfites, sulfides, carbonates, hydrogen carbonates, phosphates, hydrogen phosphates, dihydrogen phosphates, pyrophosphates, chromates, cyano salts, hydroxides, chlorides, perchlorates, chlorates, bromides, bromates, tetrafluoroborates , iodides, iodates and/or fluorides, preferably from nitrates and/or sulfates.

In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Leitsalzes in der Elektrolytlösung 0,01 mol/l bis 2,00 mol/l, bevorzugt 0,05 mol/l bis 0,5 mol/l.In one embodiment, the concentration of the conductive salt in the electrolyte solution is 0.01 mol/l to 2.00 mol/l, preferably 0.05 mol/l to 0.5 mol/l.

In einer Ausführungsform enthält die Elektrolytlösung zusätzlich ein strukturdirigierendes Additiv.In one embodiment, the electrolyte solution additionally contains a structure-directing additive.

Als strukturdirigierende Additive bezeichnet man Verbindungen, die zeitlich begrenzt oder dauerhaft eine Strukturierung einer Verbindung in einer bestimmten räumlichen Art und Weise gezielt hervorrufen bzw. dirigieren. Zeitlich begrenzt heißt, dass das dirigierende Molekül nicht in die Struktur eingebaut wird und diese z. B. durch Auswaschen mit einem Lösungsmittel nach der Reaktion wieder verlässt aber die gebildete Struktur erhalten bleibt. Zeitlich unbegrenzt heißt, dass das dirigierende Molekül entweder Bestandteil der neuen Struktur wird oder aber als eigenständiges Molekül in der Struktur verbleibt, z. B. in einer Pore, bei einem porösen Material.Structure-directing additives are compounds that deliberately cause or direct structuring of a compound in a specific spatial manner for a limited time or permanently. Limited in time means that the directing molecule is not built into the structure and this z. B. by washing with a solvent after the reaction leaves again but the structure formed is retained. Indefinitely means that the directing molecule either becomes part of the new structure or remains in the structure as an independent molecule, e.g. B. in a pore, in a porous material.

Im Sinne der Erfindung versteht man unter einem strukturdirigierenden Additiv auch eine Mischung mehrerer strukturdirigierender Additive.For the purposes of the invention, a structure-directing additive is also understood to mean a mixture of a plurality of structure-directing additives.

In einer Ausführungsform sind die strukturdirigierenden Additive ausgewählt aus anionischen, kationischen und/oder neutralen Tensiden.In one embodiment, the structure-directing additives are selected from anionic, cationic and/or neutral surfactants.

In einer Ausführungsform sind die strukturdirigierenden Additive ausgewählt aus Imidazolen, Pyridinen, Acetaten, Oxalaten, Citraten, Laurylsulfaten, organischen Ammoniumsalzen, bevorzugt aus Imidazolen und Ammoniumsalzen.In one embodiment, the structure-directing additives are selected from imidazoles, pyridines, acetates, oxalates, citrates, lauryl sulfates, organic ammonium salts, preferably from imidazoles and ammonium salts.

Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens ein Metallion.According to the invention, the electrolyte solution contains at least one metal ion.

Im Sinne der Erfindung ist dies das zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion oder eine Mischung mehrerer verschiedener Metallionen.For the purposes of the invention, this is the metal ion required for the synthesis of the metal-organic framework or a mixture of several different metal ions.

In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Metallion zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung ausgewählt aus Cu+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Al3+, Mg2+, Ti4+, Ti3+, Zr4+, Mn3+, Mn4+, Cr3+, V2+, V3+, V4+, Mo3+, W3+, Ni2+, Ni+, Ag+, Au+, Sn2+, Sn4+, Si2+, Si4+, Pb2+, Pb4+ und/ oder Zn2+, bevorzugt Cu2+, Fe2+, Fe3+, Al3+ und/oder Zn2+.In one embodiment, the at least one metal ion for synthesizing the metal-organic framework is selected from Cu + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Al 3+ , Mg 2+ , Ti 4+ , Ti 3+ , Zr 4+ , Mn 3+ , Mn 4+ , Cr 3+ , V 2+ , V 3+ , V 4+ , Mo 3+ , W 3+ , Ni 2+ , Ni + , Ag + , Au + , Sn 2+ , Sn 4+ , Si 2+ , Si 4+ , Pb 2+ , Pb 4+ and/or Zn 2+ , preferably Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Al 3+ and /or Zn 2+ .

Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Metallion entweder

  1. i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst und/oder
  2. ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt.
According to the invention, the at least one metal ion is either
  1. i) dissolved as a metal ion salt in the electrolyte solution and/or
  2. ii) generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and/or provided in the electrolyte solution.

Metallionenvorläufer, oder auch Metallionenvorläuferverbindung, bezeichnet die Verbindung, in der das für die Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion, insbesondere chemisch gebunden, vorliegt. Der Metallionenvorläufer enthält also das für die Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion in - insbesondere chemisch - gebundener Form, welches noch nicht die für die Synthese der MOFs notwendige Oxidationsstufe aufweist. Durch Oxidation oder Reduktion dieses Metallionenvorläufers oder der Metallionenvorläuferverbindung bei der Elektrolyse wird das Metallion in der Elektrolytlösung bereitgestellt.Metal ion precursor, or also metal ion precursor compound, refers to the compound in which the metal ion necessary for the synthesis of the metal-organic framework compound, in particular chemically bonded, is present. The metal ion precursor thus contains the metal ion necessary for the synthesis of the metal-organic framework in—particularly chemically—bound form, which metal ion does not yet have the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs. By oxidizing or reducing this metal ion precursor or metal ion precursor compound upon electrolysis, the metal ion is provided in the electrolytic solution.

Der Metallionenvorläufer ist erfindungsgemäß in Bauteil und/oder Elektrode enthalten.According to the invention, the metal ion precursor is contained in the component and/or electrode.

Will man beispielsweise eine MOF-Beschichtung mit Mn2+ als Metallion herstellen, so kann das Bauteil und/oder die Elektrode Mangan als Metall oder Manganoxid (z. B. MnO2 oder Mn3O4) als Metallionenvorläufer enthalten.For example, if one wants to produce a MOF coating with Mn 2+ as the metal ion, the component and/or the electrode can contain manganese as the metal or manganese oxide (e.g. MnO 2 or Mn 3 O 4 ) as the metal ion precursor.

Metallisches Mangan wird dann (anodisch) oxidiert, um Mn2+ in der Elektrolytlösung zu erzeugen; Manganoxide wie MnO2 oder Mn3O4 würden (kathodisch) reduziert (Mn4+ zu Mn2+ bzw. Mn3+ zu Mn2+).Metallic manganese is then (anodically) oxidized to produce Mn 2+ in the electrolytic solution; Manganese oxides such as MnO 2 or Mn 3 O 4 would be (cathodically) reduced (Mn 4+ to Mn 2+ or Mn 3+ to Mn 2+ ).

Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Metallion in Variante i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst. Das Metallion weist dann bereits die für die Synthese der MOFs notwendige Oxidationsstufe auf.According to the invention, the at least one metal ion in variant i) is dissolved in the electrolyte solution as a metal ion salt. The metal ion then already has the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs.

Dann gilt, dass die Linkerverbindung elektrolytisch oder elektrochemisch induziert aus einer Linkervorläuferverbindung an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrode generiert wird.It then applies that the linker compound is generated electrolytically or electrochemically induced from a linker precursor compound at the interface between component and electrode.

Dann wird die Linkerverbindung in der Elektrolytlösung durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ aus der/den korrespondierenden Linkervorläuferverbindung/en an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert.The linker compound is then generated in the electrolyte solution by electrochemical reaction and/or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction in situ from the corresponding linker precursor compound(s) at the interface between the component and the electrolyte solution.

Das mindestens eine Metallion kann ein, in Form eines entsprechenden Metallionensalzes vorliegender Elektrolytbestandteil sein, also in der Elektrolytlösung gelöst vorliegen. Dann hat das Metallion bereits die für die Synthese der MOFs notwendige Oxidationsstufe.The at least one metal ion can be an electrolyte component present in the form of a corresponding metal ion salt, ie it can be present dissolved in the electrolyte solution. Then the metal ion already has the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs.

In einer Ausführungsform wird dazu ein Metallsalz, enthaltend ein Metallion in der für die Synthese der MOFs notwendigen Oxidationsstufe, direkt in der Elektrolytlösung gelöst.In one embodiment, a metal salt containing a metal ion in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs is dissolved directly in the electrolyte solution.

In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Metallionensalzes oder einer Mischung mehrerer Metallionensalze in der Elektrolytlösung 0,005 mol/l bis 1 mol/l, bevorzugt 0,05 mol/l bis 0,1 mol/l.In one embodiment, the concentration of the metal ion salt or a mixture of several metal ion salts in the electrolyte solution is 0.005 mol/l to 1 mol/l, preferably 0.05 mol/l to 0.1 mol/l.

In einer Ausführungsform werden zur Beschichtung des Bauteils mindestens ein Metallionensalz und mindestens eine Linkervorläuferverbindung in der Elektrolytlösung vorgelegt.In one embodiment, at least one metal ion salt and at least one linker precursor compound are initially introduced into the electrolyte solution for coating the component.

In einer Ausführungsform wird das Metallion in der Elektrolytlösung generiert, indem Metallionenvorläufer, enthalten in mindestens einer der Elektroden, die nicht das Bauteil sind, elektrolytisch induziert zu dem Metallion umgesetzt und in der Elektrolytlösung bereitgestellt werden. Das Metallion liegt danach ebenfalls in der für die Synthese der MOFs notwendigen Oxidationsstufe in der Elektrolytlösung vor.In one embodiment, the metal ion is generated in the electrolyte solution by metal ion precursors contained in at least one of the electrodes that are not the component being electrolytically induced converted to the metal ion and provided in the electrolyte solution. The metal ion is then also present in the electrolyte solution in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs.

Auch dann wird die Linkerverbindung in der Elektrolytlösung durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ aus der/den korrespondierenden Linkervorläuferverbindung/en an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert.The linker compound is then also generated in the electrolyte solution by an electrochemical reaction and/or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction in situ from the corresponding linker precursor compound(s) at the interface between the component and the electrolyte solution.

Es muss also mindestens ein Bestandteil der MOF-Beschichtung (Metallion oder Linkerverbindung) an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung gebildet werden, um den Beschichtungsvorgang zu gewährleisten. Diese Bildung des Bestandteils wird elektrolytisch oder elektrochemisch ausgelöst.At least one component of the MOF coating (metal ion or linker compound) must therefore be formed at the interface between the component and the electrolyte solution in order to protect the coating to ensure processing. This formation of the component is initiated electrolytically or electrochemically.

Das bedeutet, entweder entsteht an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung das MOF-Metallion elektrolytisch aus einem Metallionenvorläufer und/oder die Linkerverbindung entsteht an der Grenzfläche durch Elektrolyse aus einer Linkervorläuferverbindung.This means that either the MOF metal ion is formed electrolytically at the interface between the component and the electrolyte solution from a metal ion precursor and/or the linker compound is formed at the interface by electrolysis from a linker precursor compound.

Die Bildung des MOF erfolgt also jeweils aufgrund einer elektrochemischen Reaktion am Bauteil oder chemischen Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion am Bauteil. Die elektrochemische Reaktion wird ausgelöst und kontrolliert, indem ein elektrisches Feld am Bauteil angelegt wird (Bauteil als Elektrode geschaltet) oder das Bauteil in ein elektrisches Feld eingebracht wird (Bauteil nicht als Elektrode geschaltet).The formation of the MOF therefore takes place as a result of an electrochemical reaction on the component or a chemical reaction as a result of an electrochemical reaction on the component. The electrochemical reaction is triggered and controlled by applying an electric field to the component (component switched as an electrode) or by placing the component in an electric field (component not switched as an electrode).

In einer Ausführungsform bilden in der Elektrolytlösung vorhandene Metallionen und Linkerverbindungen schon MOF-Kristallbaueinheiten (also kleinere Partikel) in der Lösung, die zum Teil in die wachsende Beschichtung an der Grenzfläche integriert werden. Ein Metallionenvorläufer und/oder eine Linkervorläuferverbindung muss/müssen dem System aber trotzdem zur Verfügung stehen.In one embodiment, metal ions and linker compounds present in the electrolyte solution already form MOF crystal building blocks (ie, smaller particles) in the solution, some of which are integrated into the growing coating at the interface. However, a metal ion precursor and/or a linker precursor compound must still be available to the system.

Erfindungsgemäß wird nach Variante ii) das mindestens eine Metallion durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers, an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert. According to the invention, according to variant ii), the at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution.

Erfindungsgemäß ist das Bauteil entweder a) gleichzeitig Elektrode oder wird b) in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht.According to the invention, the component is either a) simultaneously an electrode or b) is placed in an electric field between two electrodes.

In Variante a) ist das Bauteil gleichzeitig Elektrode. Das bedeutet, dass dann mindestens eine der zur Elektrolyse notwendigen Elektroden durch das Bauteil repräsentiert ist.In variant a), the component is also an electrode. This means that at least one of the electrodes required for the electrolysis is then represented by the component.

In einer Ausführungsform ist das Bauteil gleichzeitig Metallionenvorläufer enthaltende Elektrode und das Metallion stammt direkt aus der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils.In one embodiment, the component is at the same time an electrode containing metal ion precursors and the metal ion originates directly from the surface of the component to be coated.

In einer Ausführungsform enthält das Bauteil ein mindestens einen Metallionenvorläufer enthaltendes Material, ausgewählt aus reinem Metall und/oder Metalllegierungen, beispielsweise Messing, Bronzen, Neusilber, Stähle, Inconel, Hastelloy, Monel, Titan alloy, Duraluminium, usw. und/oder Metallverbindungen, beispielsweise Metalloxide und/oder - hydroxide.In one embodiment, the component contains a material containing at least one metal ion precursor, selected from pure metal and/or metal alloys, for example brass, bronze, German silver, steel, Inconel, Hastelloy, Monel, titanium alloy, duralumin, etc. and/or metal compounds, for example metal oxides and/or hydroxides.

In einer Ausführungsform ist das Metall bevorzugt ausgewählt aus Cu, Fe, AI und/oder Zn.In one embodiment, the metal is preferably selected from Cu, Fe, Al and/or Zn.

In einer Ausführungsform sind die Metalloxide und/oder -hydroxide bevorzugt ausgewählt aus Cu2O, CuO, Fe2O3, Fe3O4, Al2O3, Al(OH)3 und/oder ZnO.In one embodiment, the metal oxides and/or hydroxides are preferably selected from Cu 2 O, CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Al 2 O 3 , Al(OH) 3 and/or ZnO.

In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine einen Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung, wobei diese Beschichtung ausgewählt ist aus Metallen und/oder Metalllegierungen und/oder Metalloxiden und/oder - hydroxiden.In one embodiment, the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing a metal ion precursor, this coating being selected from metals and/or metal alloys and/or metal oxides and/or metal hydroxides.

In einer Ausführungsform ist die Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung eine Beschichtung enthaltend Metall, wobei das Metall ausgewählt ist aus Cu, Fe, Co, AI, Mg, Ti, Zr, Mn, Cr, V, Mo, W, Ni, Ag, Au, Sn, Si, Pb und/oder Zn, bevorzugt Cu, Fe, AI und/oder Zn.In one embodiment, the coating containing metal ion precursors is a coating containing metal, wherein the metal is selected from Cu, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Zr, Mn, Cr, V, Mo, W, Ni, Ag, Au, Sn , Si, Pb and/or Zn, preferably Cu, Fe, Al and/or Zn.

In einer Ausführungsform ist die Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung eine Beschichtung enthaltend Metalloxide und/oder -hydroxide, ausgewählt z. B. aus Al2O3, (Al(OH)3, Cu2O, CuO, Cu(OH)2, Fe3O4, Fe2O3, FeO(OH) Co3O4, CoOOH, Co(OH)3, CoO, Ti2O3, Ti(OH)2, Ti(OH)3, Ti(OH)4, TiO2, MnO(OH), MnO(OH)2, Mn3O4, Mn2O3, MnO2, Cr2O3, Cr(OH)3, Cr(OH)4, CrO2, CrO3, VO2, V2O3, V2O4, V2O5, MoO2, MoO3, Ni3O4, Ni2O3, NiO, (NiOH)2, AgOH, Ag2O, Ag2O3, SiO2, Pb(OH)2, Pb(OH)4, Pb3O4, PbO2 und/oder ZnO, Zn(OH)2, sowie deren Mischungen oder andere Mischverbindungen mit anderen Ionen wie SO4 2-, SO3 2-, usw. (z. B. Grünspan) bevorzugt Al2O3, Cu2O, CuO, Fe2O3, Fe3O4 und/oder ZnO.In one embodiment, the coating containing metal ion precursors is a coating containing metal oxides and/or hydroxides, selected e.g. from Al 2 O 3 , (Al(OH) 3 , Cu 2 O, CuO, Cu(OH) 2 , Fe 3 O 4 , Fe 2 O 3 , FeO(OH) Co 3 O 4 , CoOOH, Co( OH) 3 , CoO, Ti 2 O 3 , Ti(OH) 2 , Ti(OH) 3 , Ti(OH) 4 , TiO 2 , MnO(OH), MnO(OH) 2 , Mn 3 O 4 , Mn 2 O 3 , MnO 2 , Cr 2 O 3 , Cr(OH) 3 , Cr(OH) 4 , CrO 2 , CrO 3 , VO 2 , V 2 O 3 , V 2 O 4 , V 2 O 5 , MoO 2 , MoO 3 , Ni 3 O 4 , Ni 2 O 3 , NiO, (NiOH) 2 , AgOH, Ag 2 O, Ag 2 O 3 , SiO 2 , Pb(OH) 2 , Pb(OH) 4 , Pb 3 O 4 , PbO 2 and/or ZnO, Zn(OH) 2 , and mixtures thereof or other mixed compounds with other ions such as SO 4 2- , SO 3 2- , etc. (e.g. verdigris), preferably Al 2 O 3 , Cu 2 O, CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 and/or ZnO.

In einer Ausführungsform ist die Metallionen enthaltende Beschichtung eine Beschichtung, enthaltend eine Metalllegierung. In einer Ausführungsform ist die Metalllegierung ausgewählt aus Messing, Bronzen, Neusilber, Stähle, Inconel, Hastelloy, Monel, Titan alloy, und/oder Duraluminium.In one embodiment, the coating containing metal ions is a coating containing a metal alloy. In one embodiment, the metal alloy is selected from brass, bronze, German silver, steel, Inconel, Hastelloy, Monel, titanium alloy and/or duralumin.

In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial ausgewählt aus elektrisch leitfähigen Polymeren, Kohlenstoffen, wie z. B. Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren oder anderen Kohlenstoffallotropen.In one embodiment, the carrier material is selected from electrically conductive polymers, carbons, such as. As graphite, carbon fibers, carbon nanotubes or other carbon allotropes.

In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial mit einer, einen Metallionenvorläufer enthaltenden Beschichtung versehen.In one embodiment, the carrier material is provided with a coating containing a metal ion precursor.

Erfindungsgemäß kann das Metallion elektrolytisch durch Oxidation oder Reduktion eines im Bauteil enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert werden, wobei das Bauteil als Elektrode geschaltet ist.According to the invention, the metal ion can be formed electrolytically by oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution are generated, the component being connected as an electrode.

In einer Ausführungsform ist das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Metallion generierende Elektrode geschaltet.In one embodiment, the component is connected as a metal ion-generating electrode during the electrochemical deposition.

In einer Ausführungsform wird das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Anode geschaltet. Der im Bauteil enthaltene Metallionenvorläufer bzw. Metallionenvorläuferverbindung wird dann anodisch oxidiert und das Metallion geht in die Elektrolytlösung über. Durch die Reaktion mit der ebenfalls in der Elektrolytlösung vorhandenen Linkerverbindung, erfolgt die Bildung und elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil.In one embodiment, the component is switched as an anode during the electrochemical deposition. The metal ion precursor or metal ion precursor compound contained in the component is then anodically oxidized and the metal ion passes into the electrolyte solution. The reaction with the linker compound also present in the electrolyte solution results in the formation and electrochemical deposition of the metal-organic framework on the component.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Anode fungiert, enthält das Bauteil Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der entstehenden metallorganischen Gerüstverbindung.In the case of electrochemical deposition, in which the component acts as a metal ion-generating anode, the component contains metal ion precursors with a lower oxidation state than the metal ion of the resulting metal-organic framework.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Anode fungiert, wird das Bauteil als Anode geschaltet. Durch das Anlegen einer Spannung werden in der Oberfläche bzw. obersten Schicht des zu beschichtenden Bauteils enthaltene Metallionenvorläufer anodisch oxidiert und so der Elektrolytlösung das Metallion am Bauteil zugeführt. Dort reagiert das Metallion mit der in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkerverbindung zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet.In the case of electrochemical deposition, in which the component acts as an anode, the component is connected as an anode. By applying a voltage, metal ion precursors contained in the surface or top layer of the component to be coated are anodically oxidized and the metal ion on the component is thus supplied to the electrolyte solution. There, the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to form the metal-organic framework compound, which is deposited on the component.

In einer Ausführungsform beträgt die Spannung während der elektrochemischen Abscheidung in Variante a) 0.2 bis 40 V, beziehungsweise -10 bis 10 V gegenüber einer Quecksilbersulfat-Referenzelektrode, bevorzugt -2.5 bis 1 V gegenüber einer Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode.In one embodiment, the voltage during the electrochemical deposition in variant a) is 0.2 to 40 V or −10 to 10 V compared to a mercury sulfate reference electrode, preferably −2.5 to 1 V compared to a mercury/mercury sulfate reference electrode.

Die Abscheidung der MOFs wird solange betrieben, bis die Schichtdicke der MOF 0,1 bis 1000 µm, bevorzugt 1 bis 100 µm, besonders bevorzugt 2 bis 20 µm, insbesondere 3 bis 10 µm beträgt.The MOFs are deposited until the layer thickness of the MOF is from 0.1 to 1000 μm, preferably from 1 to 100 μm, particularly preferably from 2 to 20 μm, in particular from 3 to 10 μm.

Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgt mittels Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie.The layer thickness is determined by means of scanning electron and light microscopy.

Die Dauer der Elektrolyse beträgt 30 s bis 5 h, bevorzugt 5 min bis 60 min, besonders bevorzugt 10 bis 30 min.The duration of the electrolysis is 30 s to 5 h, preferably 5 min to 60 min, particularly preferably 10 to 30 min.

In einer Ausführungsform wird das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Kathode geschaltet.In one embodiment, the component is switched as a cathode during the electrochemical deposition.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Kathode fungiert, enthält das Bauteil Metallionenvorläufer mit höherer Oxidationsstufe als das Metallion der entstehenden metallorganischen Gerüstverbindung.In the case of electrochemical deposition, in which the component acts as a metal ion-generating cathode, the component contains metal ion precursors with a higher oxidation state than the metal ion of the resulting metal-organic framework.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Kathode fungiert, wird das Bauteil als Kathode geschaltet. Durch das Anlegen einer Spannung wird der in der Oberfläche bzw. obersten Schicht des zu beschichtenden Bauteils enthaltene Metallionenvorläufer kathodisch reduziert und so dem Elektrolyten das Metallion am Bauteil zugeführt. Dort reagiert das Metallion mit der in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkerverbindung zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet.In the case of electrochemical deposition, in which the component acts as a metal ion-generating cathode, the component is switched as a cathode. By applying a voltage, the metal ion precursor contained in the surface or top layer of the component to be coated is reduced cathodically and the metal ion on the component is thus supplied to the electrolyte. There, the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to form the metal-organic framework compound, which is deposited on the component.

Es ist auch möglich, dass die Metallionenvorläuferverbindung beispielsweise nicht als Bauteilmetall oder Bauteilbeschichtung vorliegt sondern als in der Elektrolytlösung gelöstes Metallionensalz. Das Metallion hat dann noch nicht die für die Synthese der MOFs notwendige Oxidationsstufe, weshalb das Metallionensalz zunächst elektrochemisch umgesetzt wird und das, für die MOF Synthese notwendige, Metallion entsteht.It is also possible that the metal ion precursor compound is not present as a component metal or component coating, for example, but as a metal ion salt dissolved in the electrolyte solution. The metal ion then does not yet have the oxidation state necessary for the synthesis of the MOFs, which is why the metal ion salt is first reacted electrochemically and the metal ion necessary for the MOF synthesis is formed.

Als Beispiel kämen z. B. Permanganatsalze wie KMnO4 in Frage, die dann am Bauteil elektrochemisch zu Mn2+-Ionen reduziert werden.As an example z. B. permanganate salts such as KMnO 4 in question, which are then electrochemically reduced to Mn 2+ ions on the component.

Wie bereits oben beschrieben, wird in einer Ausführungsform die Linkerverbindung aus einer, in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkervorläuferverbindung generiert.As already described above, in one embodiment the linker compound is generated from a linker precursor compound contained in the electrolyte solution.

In einer Ausführungsform wird die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet. Dies kann durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion erfolgen.In one embodiment, the linker compound is formed from at least one linker precursor compound during electrolysis. This can be done by an electrochemical reaction and/or a chemical reaction as a result of an electrochemical reaction.

In einer Ausführungsform wird durch die elektrochemische Reaktion des Elektrolyten die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der Linkervorläuferverbindung initiiert. Beispielsweise kann sich durch die kathodische Reduktion eines Nitratsalzes in der Elektrolytlösung, bei welcher Hydroxidionen gebildet werden, der pH-Wert soweit ändern, dass z. B. Säuregruppen deprotoniert werden und beispielsweise aus den freien Carbonsäuren die Linkercarboxylate entstehen.In one embodiment, the electrochemical reaction of the electrolyte initiates the chemical reaction to form the linker compound from the linker precursor compound. For example, the cathodic reduction of a nitrate salt in the electrolyte solution, in which hydroxide ions are formed, can change the pH to such an extent that z. B. acid groups are deprotonated and, for example, the linker carboxylates are formed from the free carboxylic acids.

In einer Ausführungsform erfolgt die Deprotonierung von Säure- oder Imidazolgruppen durch Änderung des pH-Wertes, beispielsweise durch Wasserzersetzung bei der Elektrolyse.In one embodiment, acid or imidazole groups are deprotonated by changing the pH, for example by water decomposition during electrolysis.

In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Elektrode.In one embodiment, the device functions as a linker compound generating electrode.

In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Kathode.In one embodiment, the device functions as a linker compound generating cathode.

In dem Fall besteht das Bauteil aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material und die Metallionen stammen aus der als Anode geschalteten Metallionenvorläufer enthaltenden Elektrode und/oder aus dem in der Elektrolytlösung gelösten Metallionensalz.In that case, the component consists of any electrically conductive material and the metal ions originate from the electrode containing metal ion precursors connected as an anode and/or from the metal ion salt dissolved in the electrolyte solution.

In einer Ausführungsform enthält das Bauteil aber auch als Linkerverbindung generierende Kathode einen Metallionenvorläufer mit höherer Oxidationsstufe als das Metallion der zu bildenden metallorganischen Gerüstverbindung.In one embodiment, however, the component also contains, as the cathode generating the linker compound, a metal ion precursor with a higher oxidation state than the metal ion of the metal-organic framework compound to be formed.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Linkerverbindung generierende Kathode fungiert, wird die in der Elektrolytlösung enthaltene Linkervorläuferverbindung elektrochemisch oder chemisch in Folge einer elektrochemischen Reaktion zu der entsprechenden Linkerverbindung am Bauteil umgesetzt. Dies erfolgt beispielsweise durch Spaltung der Vorläuferverbindung oder durch Deprotonierung in Folge einer pH-Wert-Änderung durch Wasserstoffprotonen verbrauchende Reduktion. Die pH-Wert Änderung kann ebenso durch Hydroxidionen generierende Reduktion von Lösungsmittel oder Leitsalzbestandteilen, beispielsweise Wasser und/oder Nitrationen erfolgen.During electrochemical deposition, in which the component acts as a cathode that generates a linker compound, the linker precursor compound contained in the electrolyte solution is converted electrochemically or chemically as a result of an electrochemical reaction to form the corresponding linker compound on the component. This occurs, for example, by cleavage of the precursor compound or by deprotonation as a result of a pH change by reduction that consumes hydrogen protons. The pH value can also be changed by reducing solvent or conductive salt components, for example water and/or nitrate ions, by generating hydroxide ions.

Durch das Anlegen einer Spannung wird so die Linkerverbindung der Elektrolytlösung am Bauteil zugeführt. Dort reagiert die Linkerverbindung mit dem in der Lösung enthaltenen Metallion zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet.By applying a voltage, the linker connection is fed to the electrolyte solution on the component. There, the linker compound reacts with the metal ion contained in the solution to form the metal-organic framework compound, which is deposited on the component.

In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als Linkerverbindung generierende Anode. Dann besteht das Bauteil aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material oder das Bauteil enthält Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der metallorganischen Gerüstverbindung.In one embodiment, the component acts as an anode that generates a linker connection. Then the component consists of any electrically conductive material or the component contains metal ion precursors with a lower oxidation state than the metal ion of the metal-organic framework compound.

Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Linkerverbindung generierende Anode fungiert, wird die in der Elektrolytlösung enthaltene Linkervorläuferverbindung elektrochemisch oder chemisch in Folge einer elektrochemischen Reaktion zu der entsprechenden Linkerverbindung am Bauteil umgesetzt. Dies geschieht beispielsweise durch Oxidation der Linkervorläuferverbindung, z. B. einer Aldehydfunktionalität zur entsprechenden Carbonsäurefunktionalität. Es kann auch eine Spaltung der Linkervorläuferverbindung erfolgen, wie beispielsweise die saure Abspaltung von Schutzgruppen von geschützten Carbonsäuregruppen.During electrochemical deposition, in which the component acts as an anode that generates a linker compound, the linker precursor compound contained in the electrolyte solution is converted electrochemically or chemically as a result of an electrochemical reaction to form the corresponding linker compound on the component. This is done, for example, by oxidation of the linker precursor compound, e.g. B. an aldehyde functionality to the corresponding carboxylic acid functionality. Cleavage of the linker precursor compound may also occur, such as acidic deprotection of protected carboxylic acid groups.

Die Umsetzung der Linkervorläuferverbindung zur Linkerverbindung kann dabei aber auch durch eine pH-Wert-Änderung durch eine Hydroxidionen verbrauchende elektrolytische Oxidation oder durch Wasserstoffionen generierende Oxidation von Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser oder Leitsalzbestandteilen erfolgen.However, the conversion of the linker precursor compound into the linker compound can also be effected by a pH change by means of an electrolytic oxidation that consumes hydroxide ions or by oxidation of solvents such as water or conductive salt components that generate hydrogen ions.

Während der Elektrolyse wird die Linkerverbindung der Elektrolytlösung am Bauteil zugeführt. Dort reagiert die Linkerverbindung mit dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Metallion zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet. Das Metallion kann dabei in Form eines Metallsalzes Elektrolytbestandteil sein und/oder die Metallionen stammen aus der als Kathode geschalteten Metallionenvorläufer enthaltenden Elektrode und/oder das Metallion wird ebenfalls am Bauteil, enthaltend einen Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der metallorganischen Gerüstverbindung, durch anodische Umsetzung der Elektrolytlösung zugeführt.During electrolysis, the linker compound is added to the electrolyte solution on the component. There, the linker compound reacts with the metal ion contained in the electrolyte solution to form the metal-organic framework compound, which is deposited on the component. The metal ion can be a component of the electrolyte in the form of a metal salt and/or the metal ions originate from the electrode containing metal ion precursors connected as a cathode and/or the metal ion is also attached to the component containing a metal ion precursor with a lower oxidation state than the metal ion of the metal-organic framework by anodic reaction added to the electrolyte solution.

Die Elektroden können auch vom Bauteil verschieden sein. Das entspricht der Variante b) im erfindungsgemäßen Verfahren.The electrodes can also be different from the component. This corresponds to variant b) in the process according to the invention.

Erfindungsgemäß wird in Variante b) das Bauteil in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht.According to the invention, in variant b), the component is introduced into an electric field between two electrodes.

Dann erfolgt die elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung mittels bipolarer Galvanotechnik indirekt anodisch oder indirekt kathodisch auf dem Bauteil.The metal-organic framework is then electrochemically deposited indirectly anodically or indirectly cathodically on the component using bipolar electroplating technology.

Dabei wird das Bauteil in ein in der Elektrolytlösung durch mindestens zwei Elektroden erzeugtes elektrisches Feld eingebracht, durch welches das Bauteil polarisiert wird, wodurch elektrochemische Abscheidung am Bauteil stattfindet.In this case, the component is introduced into an electric field generated in the electrolyte solution by at least two electrodes, by means of which the component is polarized, as a result of which electrochemical deposition takes place on the component.

Das Bauteil ist dann nicht gleichzeitig Elektrode oder als Elektrode geschaltet.The component is then not connected at the same time as an electrode or as an electrode.

Bei diesem, auch als bipolare Galvanotechnik bezeichneten, Vorgehen wird das Bauteil in ein elektrisches Feld zwischen mindestens einer positiv polarisierten und mindestens einer negativ polarisierten Elektrode eingebracht.In this procedure, also referred to as bipolar electroplating, the component is placed in an electric field between at least one positively polarized and at least one negatively polarized electrode.

In einer Ausführungsform wird der Beschichtungsraum des Bauteils, das heißt, der das Bauteil umgebende Bereich, enthaltend die Elektrolytlösung, durch Membranen von den Elektrodenräumen abgetrennt, damit die Umsetzung von Elektrolytbestandteilen, wie beispielsweise die Linkervorläuferverbindung, an den Elektroden minimiert oder verhindert wird.In one embodiment, the coating space of the component, ie the area surrounding the component containing the electrolyte solution, is separated from the electrode spaces by membranes so that the conversion of electrolyte components, such as the linker precursor compound tion at the electrodes is minimized or prevented.

Erfindungsgemäß wird in Variante ii) das Metallion durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestelltAccording to the invention, in variant ii), the metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and/or is provided in the electrolyte solution

In einer Ausführungsform wird das zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion vom Bauteil aufgrund der Polarisierung durch das elektrische Feld zwischen den mindestens zwei Elektroden abgegeben, wobei sich das Metallion aus dem Bauteil durch elektrochemische Oxidation bzw. Reduktion herauslöst und in die Elektrolytlösung übergeht. Dort reagiert es mit der in der Lösung enthaltenen Linkerverbindung und wird als metallorganische Gerüstverbindung auf dem Bauteil abgeschieden. Man spricht dann von indirekter anodischer oder indirekter kathodischer Abscheidung.In one embodiment, the metal ion required for the synthesis of the metal-organic framework is released from the component due to the polarization caused by the electric field between the at least two electrodes, with the metal ion being released from the component by electrochemical oxidation or reduction and passing into the electrolyte solution. There it reacts with the linker compound contained in the solution and is deposited on the component as a metal-organic framework compound. One then speaks of indirect anodic or indirect cathodic deposition.

In einer Ausführungsform enthält das Bauteil Metallionenvorläufer, ausgewählt aus reinem Metall und/ oder Metalllegierungen und/ oder Metalloxiden und/ oder -hydroxiden, wie sie auch oben für ein Bauteil als Metallion liefernde Elektrode beschrieben sind.In one embodiment, the component contains metal ion precursors selected from pure metal and/or metal alloys and/or metal oxides and/or hydroxides, as are also described above for a component as a metal ion-supplying electrode.

In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine Metallionen enthaltende Beschichtung, wobei diese Beschichtung ausgewählt ist aus Metallen und/oder Metalllegierungen und/oder Metalloxiden und/oder -hydroxiden, wie sie bereits oben für ein Bauteil als Metallion liefernde Elektrode beschrieben sind.In one embodiment, the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing metal ions, this coating being selected from metals and/or metal alloys and/or metal oxides and/or hydroxides, as already described above for a component as an electrode supplying metal ions .

In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial des Bauteils ausgewählt aus elektrisch leitfähigen Polymeren, Kohlenstoffen, Kohlenstofffasern und Materialien, wie sie bereits oben für Variante a) beschrieben sind, für ein Bauteil, welches mit Metallionenvorläufermaterialien höherer oder niedrigerer Oxidationsstufe beschichtet ist.In one embodiment, the carrier material of the component is selected from electrically conductive polymers, carbons, carbon fibers and materials as already described above for variant a) for a component which is coated with metal ion precursor materials of a higher or lower oxidation state.

In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil, insbesondere dessen Oberfläche, ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Metalle, Metalloxide, Halbleitermaterialien, ITO- oder FTO-Glas, leitfähige Polymere. Dann wird an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung die Linkervorläuferverbindung elektrolytisch oder elektrochemisch zur Linkerverbindung umgesetzt.In one embodiment, the component, in particular its surface, comprises an electrically conductive material, for example metals, metal oxides, semiconductor materials, ITO or FTO glass, conductive polymers. The linker precursor compound is then converted electrolytically or electrochemically to form the linker compound at the interface between the component and the electrolyte solution.

Das elektrische Feld zwischen den Elektroden muss für die indirekten Formen der Abscheidung entsprechend stark sein.The electric field between the electrodes must be correspondingly strong for the indirect forms of deposition.

In einer Ausführungsform beträgt die Spannung während der elektrochemischen Abscheidung in Variante b) 1 bis 100 Volt, bevorzugt 5 bis 20 V.In one embodiment, the voltage during the electrochemical deposition in variant b) is 1 to 100 volts, preferably 5 to 20 V.

Die metallorganischen Gerüstverbindungen scheiden sich als gleichmäßig dicke Schicht auf dem Bauteil ab. Nach der Abscheidung wird das beschichtete Bauteil mit Wasser oder einem Lösungsmittel gespült und bei Bedarf getrocknet.The metal-organic framework compounds are deposited as a uniformly thick layer on the component. After deposition, the coated component is rinsed with water or a solvent and dried if necessary.

In einer Ausführungsform werden die zur Synthese der MOF Beschichtung notwendigen Metallionen aus einer der Elektroden (entspricht Variante b - das Bauteil ist nicht Elektrode), durch Oxidation oder Reduktion in der Elektrolytlösung bereitgestellt (Variante ii).In one embodiment, the metal ions required for the synthesis of the MOF coating are provided from one of the electrodes (corresponds to variant b—the component is not an electrode) by oxidation or reduction in the electrolyte solution (variant ii).

Erfindungsgemäß ist nach Variante i)

  • - das Metallion als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst und/oder wird nach Variante ii)
  • - durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt,

wobei das Bauteil a) gleichzeitig Elektrode ist oder b) nicht gleichzeitig Elektrode ist, sondern in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht wird.According to the invention, according to variant i)
  • - The metal ion is dissolved as a metal ion salt in the electrolyte solution and/or is, according to variant ii)
  • - generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and/or provided in the electrolyte solution,

the component a) being an electrode at the same time, or b) not being an electrode at the same time, but being placed in an electric field between two electrodes.

Folgende Fälle sind also möglich:

  • Das mindestens eine Metallion ist als Metallionensalz, vorzugsweise in der zur Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe, in der Elektrolytlösung gelöst, eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden ist gleichzeitig Bauteil und die Linkerverbindung wird an der Grenzfläche von Bauteil und Elektrolytlösung generiert.
The following cases are therefore possible:
  • The at least one metal ion is dissolved in the electrolyte solution as a metal ion salt, preferably in the oxidation state required for the synthesis of the MOF. One of the electrodes used for electrolysis is also a component and the linker connection is generated at the interface between the component and the electrolyte solution.

Das mindestens eine Metallion wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines im Bauteil enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert, wobei mindestens eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden gleichzeitig Bauteil ist.The at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution, with at least one of the electrodes used for the electrolysis being a component at the same time.

Das mindestens eine Metallion wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in einer Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers in der Elektrolytlösung bereitgestellt und die Linkerverbindung wird elektrolytisch an der Grenzfläche von Bauteil und Elektrolytlösung generiert, wobei mindestens eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden gleichzeitig Bauteil ist.The at least one metal ion is provided by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in an electrode in the electrolyte solution and the linker connection is generated electrolytically at the interface between the component and the electrolyte solution, with at least one of the electrodes used for electrolysis being a component at the same time.

Für die Kombination von i) und/oder ii) mit Variante b) bedeutet dies: Das Bauteil wird in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht und das mindestens eine Metallion ist als Metallionensalz, in der zur Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe, in der Elektrolytlösung gelöst und/oder wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in einer Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers in der Elektrolytlösung bereitgestellt und/oder wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion des einen entsprechenden Metallionenvorläufer enthaltenden Bauteils an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und bereitgestellt, wobei das Bauteil nicht gleichzeitig Elektrode ist.For the combination of i) and / or ii) with variant b), this means: The component is in a electric field is introduced between at least two electrodes and the at least one metal ion is dissolved in the electrolyte solution as a metal ion salt in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF and/or is provided in the electrolyte solution by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in an electrode and/ or is generated and provided by electrolytic oxidation or reduction of the component containing a corresponding metal ion precursor at the interface between the component and the electrolyte solution, the component not being an electrode at the same time.

In einer Ausführungsform enthält die Schicht aus metallorganischen Gerüstverbindungen Mikroporen und/oder Makroporen und/oder Mesoporen auch teilweise mit verschiedenen Porentypen, z. B. Schlitzporen. Der Begriff Mikroporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser von bis zu 2 nm. Der Begriff Mesoporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser von 2 nm bis 50 nm. Der Begriff Makroporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser > 50 nm.In one embodiment, the layer of metal-organic framework compounds contains micropores and/or macropores and/or mesopores, some with different pore types, e.g. B. slit pores. The term micropores refers to pores with a diameter of up to 2 nm. The term mesopores refers to pores with a diameter of 2 nm to 50 nm. The term macropores refers to pores with a diameter > 50 nm.

Die spezifische Oberfläche (BET) der erfindungsgemäß hergestellten metallorganischen Gerüstverbindungen wird über Norm DIN ISO 9277 2014-01-00. Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Festkörpern mittels Gasadsorption - BET-Verfahren (ISO 9277:2010). S. 1-30 bestimmt. Die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtung beträgt 5 m2/g bis 2500 m2/g.The specific surface area (BET) of the metal-organic framework compounds produced according to the invention is above standard DIN ISO 9277 2014-01-00. Determination of the specific surface area of solids by gas adsorption - BET method (ISO 9277:2010). pp. 1-30. The specific surface area of the MOF coating produced according to the invention is 5 m 2 /g to 2500 m 2 /g.

Rasterelektronenmikroskopie ist für die Untersuchung der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen jedoch eine besser geeignete Methode (z. B. im Vergleich zu Physisorptionsmessungen) um die Porosität/Strukturiertheit und die Gestalt der Porosität zu untersuchen. So ist es relevant, wie die Poren an der Kristallitoberfläche gestaltet sind. Die Bestimmung der BET Oberfläche durch Physisorptionsmessungen kann hingegen irreführend sein, da eine eine hohe BET-Oberfläche in m2/g auch durch Poren im „Kristallitinneren“ begründet sein könnte, während die Kristallitoberfläche relativ glatt ist.However, scanning electron microscopy is a more suitable method (e.g. compared to physisorption measurements) for investigating the MOF coatings produced according to the invention in order to examine the porosity/structure and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores on the crystallite surface are designed. The determination of the BET surface area by physisorption measurements, on the other hand, can be misleading, since a high BET surface area in m 2 /g could also be due to pores in the "interior of the crystallite", while the crystallite surface is relatively smooth.

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen ein besonders strukturiertes Kristallitwachstum innerhalb der MOF Beschichtung durch die elektrochemische Abscheidung. So finden sich gleichmäßig angeordnete MOF-Kristallite in beispielsweise oktaedrischer Geometrie in der Beschichtung, welche eine mikroskalige Oberflächenmorphologie bewirken (1) und bei näherer Betrachtung der Oberfläche eines einzelnen Kristalliten auch nanoskalige Strukturen aufweisen. Ebenso können Zusammensetzungen aus Nanokristalliten eine nanoskalige und mikroskalige Suprastruktur (4) bilden. So werden MOF-Morphologien mit Zwischenräumen im nanoskaligen Bereich von 10 bis 100 nm beobachtet (siehe 2 und 5). Diese Zwischenräume weisen vorteilhaft eine Durchgängigkeit auf.Scanning electron microscopic investigations show a particularly structured crystallite growth within the MOF coating due to the electrochemical deposition. For example, evenly arranged MOF crystallites with an octahedral geometry can be found in the coating, which cause a microscale surface morphology ( 1 ) and, on closer inspection of the surface of a single crystallite, also show nanoscale structures. Likewise, compositions of nanocrystallites can have a nanoscale and microscale superstructure ( 4 ) form. Thus, MOF morphologies with gaps in the nanoscale range from 10 to 100 nm are observed (see 2 and 5 ). These intermediate spaces advantageously have continuity.

Zudem weisen die Kristallite eine strukturbedingte Mikroporosität auf, so dass man vorteilhaft eine dreifach hierarchische Strukturierung der Oberfläche vorfindet.In addition, the crystallites have a structure-related microporosity, so that a triple hierarchical structuring of the surface is advantageously found.

In einer Ausführungsform weisen die erfindungsgemäß hergestellten MOF-Schichten eine dreifach hierarchische Strukturierung auf. Im Sinne der Erfindung bedeutet dies, dass sowohl eine Strukturierung der Oberfläche im Mikrometer-, als auch im Nanometerbereich erfolgt und die Oberfläche zusätzlich noch Mikroporen aufweist.In one embodiment, the MOF layers produced according to the invention have a triple hierarchical structure. In terms of the invention, this means that the surface is structured both in the micrometer and in the nanometer range and the surface also has micropores.

Vorteilhaft gelingt die Herstellung dieser hierarchisch aufgebauten Struktur der Oberfläche und des Beschichtungsgrundmaterials in nur einem Verfahrensschritt, während bisher bekannte, meist photolithographische Verfahren mehrere aufwändige Prozessschritte erfordern.This hierarchically constructed structure of the surface and the coating base material can advantageously be produced in just one process step, while previously known, mostly photolithographic processes require several complex process steps.

Die beobachteten Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einer zusätzlichen, durch die Mikroporen bedingte Nanorauigkeit und Porosität eignet sich vorteilhaft um eine verbesserte Haftung des nachfolgend aufgetragenen Imprägniermittels zu gewährleisten.The observed micro- and/or nanostructures with an additional nanoroughness and porosity caused by the micropores are advantageously suitable for ensuring improved adhesion of the impregnating agent subsequently applied.

Vorteilhaft weisen die erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen bereits größere Wasserkontaktwinkel auf, als beispielsweise MOF-Beschichtungen, die durch Beschichtung mit hydrothermal hergestellten MOF realisiert wurden.Advantageously, the MOF coatings produced according to the invention already have larger water contact angles than, for example, MOF coatings that were realized by coating with hydrothermally produced MOF.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten MOFs ist die hohe Stabilität der kristallinen Gerüstverbindungen, die durch die koordinativen Bindungen von Linkern und Metallionen gewährleistet wird.A further advantage of the MOFs produced according to the invention is the high stability of the crystalline framework compounds, which is ensured by the coordinate bonds of linkers and metal ions.

Aufgrund der sehr hohen Porosität der Oberfläche können beispielsweise omniphobe, schwerflüchtige Öle infiltriert werden, die von den morphologisch angepassten MOF-Beschichtungen wie von einem Schwamm aufgenommen und festgehalten werden.Due to the very high porosity of the surface, omniphobic, low-volatile oils can be infiltrated, which are absorbed and held by the morphologically adapted MOF coatings like a sponge.

In einer Ausführungsform wird das Bauteil nach der Beschichtung mit der MOF getrocknet bei einem Druck von 1000 mbar bis 10-10 mbar und einer Temperatur im Bereich -40 °C bis 180 °C.In one embodiment, the component is dried after coating with the MOF at a pressure of 1000 mbar to 10 -10 mbar and a temperature in the range -40°C to 180°C.

Erfindungsgemäß erfolgt nach der elektrochemischen Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung das Aufbringen eines Imprägniermittels mit geringer Oberflächenspannung von < 30 mN/m auf die MOF-Beschichtung.According to the invention, after the electrochemical deposition of the organometallic Framework connection the application of an impregnation agent with a low surface tension of < 30 mN/m on the MOF coating.

Eine zusätzliche Imprägnierung der MOF-Beschichtung führt vorteilhaft zu omniphoben Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils.An additional impregnation of the MOF coating advantageously leads to omniphobic properties of the surface of the component.

Omniphob bedeutet, dass die Oberfläche abweisend gegenüber einer Vielzahl an polaren und unpolaren Fluiden ist. Auch polare und unpolare Fluide mit geringen Oberflächenspannungen von > 10 mN/m bis 50 mN/m, bevorzugt bis 30 mN/m weisen auf diesen Oberflächen einen erhöhten Kontaktwinkel auf, sodass eine Tropfenkondensation möglich ist. Gleiches gilt für Fluide mit höherer Oberflächenspannung.Omniphobic means that the surface is repellent to a wide range of polar and non-polar fluids. Polar and non-polar fluids with low surface tensions of >10 mN/m to 50 mN/m, preferably up to 30 mN/m, also have an increased contact angle on these surfaces, so that droplet condensation is possible. The same applies to fluids with a higher surface tension.

Um die Tropfenbildung von Fluiden mit niedriger Oberflächenspannung zu ermöglichen, wird auf die MOF-Beschichtung ein Imprägniermittel mit niedriger Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufgetragen.To enable droplet formation of fluids with low surface tension, an impregnating agent with a low surface tension of < 30 mN/m is applied to the MOF coating.

In einer Ausführungsform weist das Imprägniermittel eine niedrigere Oberflächenspannung als das zu kondensierende Fluid oder die Mischung zu kondensierender Fluide auf.In one embodiment, the impregnating agent has a lower surface tension than the fluid or mixture of fluids to be condensed.

Eine vorausgehende Behandlung mit Perfluorsilanen, wie aus dem Stand der Technik bei photolithographisch hergestellten Mikrostrukturen bekannt, ist vorteilhaft nicht mehr notwendig, um die gewünschten Benetzungseigenschaften und eine ausreichende Haftung des Imprägniermittels auf der MOF Beschichtung zu gewährleisten.Advantageously, prior treatment with perfluorosilanes, as is known from the prior art for photolithographically produced microstructures, is no longer necessary in order to ensure the desired wetting properties and sufficient adhesion of the impregnating agent on the MOF coating.

In einer Ausführungsform weist das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von < 30 mN/m, bevorzugt < 20 mN/m auf.In one embodiment, the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN/m, preferably <20 mN/m.

In einer Ausführungsform ist das Imprägniermittel ausgewählt aus Ölen, Fetten und/oder Verdickern auf Perfluorbasis.In one embodiment, the impregnating agent is selected from oils, fats and/or perfluor-based thickeners.

In einer Ausführungsform ist das Imprägniermittel ausgewählt aus perfluorierten Polymeren und/oder Perfluoralkylethern und/oder teilfluorierten und/oder polyfluorierten Polymeren oder Alkylethern.In one embodiment, the impregnating agent is selected from perfluorinated polymers and/or perfluoroalkyl ethers and/or partially fluorinated and/or polyfluorinated polymers or alkyl ethers.

In einer Ausführungsform wird das Imprägniermittel aufgetragen durch Tauchen und/oder Besprühen und/oder Rotationsbeschichtung und/oder Schleuderbeschichtungsverfahren.In one embodiment, the impregnating agent is applied by dipping and/or spraying and/or spin coating and/or spin coating processes.

In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäß hergestellte omniphobe Oberflächenbeschichtung einen Kontaktwinkel von 115° bei Benetzung mit Wasser und/oder 60° bei Benetzung mit Aceton und/oder 95° bei Benetzung mit Diiodmethan auf.In one embodiment, the omniphobic surface coating produced according to the invention has a contact angle of 115° when wetted with water and/or 60° when wetted with acetone and/or 95° when wetted with diiodomethane.

Vorteilhaft weisen Fluide mit niedrigen Oberflächenspannungen von > 10 bis < 30 mN/m auf den erfindungsgemäß beschichteten Bauteilen einen für die Tropfenkondensation geeigneten Kontaktwinkel von mindestens 35 Grad, bevorzugt mindestens 50 Grad auf.Fluids with low surface tensions of >10 to <30 mN/m advantageously have a contact angle of at least 35 degrees, preferably at least 50 degrees, on the components coated according to the invention, which is suitable for droplet condensation.

Vorteilhaft sind die erfindungsgemäß hergestellten omniphoben Oberflächen mechanisch stabiler als bisher bekannte glatte, perfluorierte omniphobe Oberflächen.Advantageously, the omniphobic surfaces produced according to the invention are mechanically more stable than previously known smooth, perfluorinated omniphobic surfaces.

Ein weiterer Vorteil in der Kombination aus der erfindungsgemäßen Beschichtung der Oberfläche des Bauteils mit metallorganischen Gerüstverbindungen und deren Imprägnierung liegt in der verbesserten Haftung des Imprägniermittels auf der hierarchisch strukturierten MOF-Schicht durch günstige intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Imprägniermittel und MOF. Das im Stand der Technik oft beobachtete Auswaschen des Imprägniermittels durch das Kondensat kann dadurch verringert werden.A further advantage of the combination of the inventive coating of the surface of the component with metal-organic framework compounds and their impregnation lies in the improved adhesion of the impregnating agent to the hierarchically structured MOF layer due to favorable intermolecular interactions between the impregnating agent and MOF. The washing out of the impregnating agent by the condensate, which is often observed in the prior art, can be reduced as a result.

Vorteilhaft sind durch die Auswahl der Linkerverbindung die individuellen physikochemischen Eigenschaften der jeweiligen MOF-Verbindung beeinflussbar. So kann sogar eingestellt werden, in welchem Ausmaß der Kontaktwinkel der kondensierenden Fluide durch das Schmiermittel gesteigert wird, was vermutlich auf verbesserte Wechselwirkung der Linkermoleküle mit dem Schmiermittel zurückzuführen ist.The individual physicochemical properties of the respective MOF compound can advantageously be influenced by the selection of the linker compound. It is even possible to adjust the extent to which the contact angle of the condensing fluids is increased by the lubricant, which is presumably due to improved interaction of the linker molecules with the lubricant.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Kombination Imidazolat-basierter MOFs und Perfluoralkylether-basierter Imprägniermittel erwiesen. Die Oberflächenenergie der MOFs mit Imidazolat-Linker ist noch deutlich niedriger als die der Carboxylat-MOFs, was zu einer besonders guten Haftung des Imprägniermittels auf der MOF-Beschichtung führen kann.The combination of imidazolate-based MOFs and perfluoroalkyl ether-based impregnating agents has proven to be particularly advantageous. The surface energy of the MOFs with an imidazolate linker is still significantly lower than that of the carboxylate MOFs, which can lead to particularly good adhesion of the impregnating agent to the MOF coating.

Vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch komplex aufgebaute Bauteile oder Bauteile im technischen Maßstab mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung versehen.Components with a complex structure or components on an industrial scale can also advantageously be provided with an omniphobic surface coating using the method according to the invention.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der kurzen Dauer der Herstellung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen.A further advantage of the method according to the invention lies in the short time it takes to produce an omniphobic surface coating on components.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine omniphobe Oberflächenbeschichtung, enthaltend eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, wobei die metallorganische Gerüstverbindung Mikro- und/oder Meso- und/oder Makroporen und/oder -Kanäle enthält, wobei die metallorganische Gerüstverbindung ein Porenvolumen von 0,002 cm3/g bis 3,500 cm3/g, bevorzugt 0,010 cm3/g bis 0,080 cm3/g aufweist, wobei die metallorganische Gerüstverbindung eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g bis 2500 m2/g aufweist, bevorzugt 50 m2/g bis 1500 m2/g wobei die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung 0,1 µm bis 1000 µm, bevorzugt 2 µm bis 100 µm, besonders bevorzugt 2 bis 10 µm beträgt, wobei das Imprägniermittel eine Oberflächenspannung von < 30 mN/m, bevorzugt < 20 mN/m aufweist.The invention also relates to an omniphobic surface coating containing a metal-organic framework and an impregnating agent, the metal-organic framework being micro and/or meso and/or macro contains pores and/or channels, the metal-organic framework having a pore volume of 0.002 cm 3 /g to 3.500 cm 3 /g, preferably 0.010 cm 3 /g to 0.080 cm 3 /g, the metal-organic framework having a specific surface area of 5 m 2 /g to 2500 m 2 /g, preferably 50 m 2 /g to 1500 m 2 /g, the layer thickness of the surface coating being 0.1 μm to 1000 μm, preferably 2 μm to 100 μm, particularly preferably 2 to 10 μm is, wherein the impregnating agent has a surface tension of <30 mN/m, preferably <20 mN/m.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen zur Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 75 mN/m, bevorzugt < 50 mN/m, besonders bevorzugt < 30 mN/m.The invention also relates to the use of an omniphobic surface coating according to the invention on components for droplet condensation of fluids with a surface tension of <75 mN/m, preferably <50 mN/m, particularly preferably <30 mN/m.

In einer Ausführungsform sind die Fluide ausgewählt aus organischen Lösungsmitteln und/oder Kältemitteln und/oder Mischungen dieser.In one embodiment, the fluids are selected from organic solvents and/or refrigerants and/or mixtures of these.

In einer Ausführungsform sind die Fluide ausgewählt aus Alkoholen, Ketonen, aromatischen und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen, halogenierten Kohlenwasserstoffen und/oder anorganischen Fluiden.In one embodiment, the fluids are selected from alcohols, ketones, aromatic and/or aliphatic hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, and/or inorganic fluids.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen omniphoben Oberflächenbeschichtung in Wärmeübertragern.The invention also relates to the use of an omniphobic surface coating according to the invention in heat exchangers.

In einer Ausführungsform sind die Wärmeübertrager ausgewählt aus rekuperativen Wärmeübertragern, beispielsweise Rohrbündelwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und Spiralwärmeübertrager.In one embodiment, the heat exchangers are selected from recuperative heat exchangers, for example tube bundle heat exchangers, plate heat exchangers and spiral heat exchangers.

Die wärmeübertragenden Flächen des Wärmeübertragers werden dabei einseitig oder beidseitig beschichtet.The heat-transferring surfaces of the heat exchanger are coated on one or both sides.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Wärmeübertrager, umfassend eine omniphobe Oberflächenbeschichtung, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.The subject matter of the invention is also a heat exchanger, comprising an omniphobic surface coating, produced by a method according to the invention.

In einer Ausführungsform ist der Wärmeübertrager ausgewählt aus Rohrbündelwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und/oder Spiralwärmeübertrager.In one embodiment, the heat exchanger is selected from tube bundle heat exchangers, plate heat exchangers and/or spiral heat exchangers.

Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßig miteinander zu kombinieren. Nachfolgende Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne diese jedoch darauf zu beschränken:For the realization of the invention, it is also expedient to combine the above-described configurations, embodiments and features of the claims with one another in an expedient manner. The following exemplary embodiments are intended to explain the invention in more detail, but without restricting it thereto:

Die Abbildungen zeigen jeweils:

  • 1 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1, welche die Mikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht zeigt;
  • 2 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1, welche die Submikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht zeigt;
  • 3 ein mit Cobalt-Kα-Strahlung (λ = 1,790307 Ä) gemessenes Röntgendiffraktogramm der Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 1, wobei der 2θ-Wert in Grad auf der Abszissenachse und die Signalintensität als Zählimpuls linear auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Darunter ist ein zur Auswertung verwendetes berechnetes Referenzdiffraktogramm abgebildet;
  • 4 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 2. Zu sehen ist die Mikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht;
  • 5 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Beispiel 2. Zu sehen ist die Submikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht;
  • 6 das mit Cobalt-Kα-Strahlung (λ = 1,790307 Å) gemessene Röntgendiffraktogramm der Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Beispiel 2, wobei der 20-Wert in Grad auf der Abszissenachse und die Signalintensität als Zählimpuls linear auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Darunter abgebildet ist ein zur Auswertung verwendetes Referenzpulverdiffraktogramm der MOF-Verbindung.
  • 7 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Abscheidungszellen gemäß der Beispiele 1 und 2 mit Arbeitselektrode (AE), Gegenelektrode (GE), Referenzelektrode (RE), Salzbrücke (SB) und Elektrolyt (schraffiert dargestellt).
  • 8 Benetzungszustände eines Wassertropfens auf a) glatten und b), c) strukturierten, hydrophoben Oberflächen.
The illustrations each show:
  • 1 a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to example 1, which shows the microstructuring of the coating from the top view;
  • 2 a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to example 1, which shows the submicrostructure of the coating from the top view;
  • 3 an X-ray diffractogram of the copper trimesate MOF coating on a copper component measured with cobalt K α radiation (λ=1.790307 λ) according to exemplary embodiment 1, with the 2θ value in degrees on the abscissa axis and the signal intensity as a linear count is plotted on the ordinate axis. A calculated reference diffractogram used for the evaluation is shown below;
  • 4 a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogen trimesate MOF coating on a stainless steel component according to exemplary embodiment 2. The microstructuring of the coating can be seen from the top view;
  • 5 a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogen trimesate MOF coating on a stainless steel component according to example 2. The submicrostructure of the coating can be seen from the top view;
  • 6 the X-ray diffractogram of the manganese dihydrogen trimesate MOF coating on a stainless steel component according to Example 2, measured with cobalt K α radiation (λ=1.790307 Å), the 20 value in degrees on the abscissa axis and the signal intensity as a linear count is plotted on the ordinate axis. A reference powder diffractogram of the MOF compound used for the evaluation is shown below.
  • 7 a schematic representation of the electrochemical deposition cells according to Examples 1 and 2 with working electrode (AE), counter electrode (GE), reference electrode (RE), salt bridge (SB) and electrolyte (shown hatched).
  • 8th Wetting states of a water droplet on a) smooth and b), c) structured hydrophobic surfaces.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Beispiel 1: Imprägnierte Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem KupferbauteilExample 1: Impregnated copper trimesat MOF coating on a copper component

Die Oberfläche des Bauteils aus Reinstkupfer wurde zunächst mit einem in Ethanol getränktem fusselfreien Zellstofftuch gereinigt und dann mit entionisiertem Wasser abgespült und im Luftstrom getrocknet.
In einer elektrochemischen Abscheidungszelle (7), bestehend aus einem Teflonkörper in der Form eines Hohlzylinders, der zur oberen Seite hin offen ist und im Boden eine kreisförmige Aussparung aufweist, einem Dichtungsring und einer bodenseitig angeschraubten Teflonplatte, wurde das flache Bauteil der Abmessung 1,5 cm x 1,5 cm aus Reinstkupfer als Arbeitselektrode (Anode) geschaltet und der in die Elektrolytlösung eingebrachte Flächenanteil beschichtet.
Dabei wurde eine Platingegenelektrode (Kathode, Fläche 2 cm x 2 cm) mit etwa 1 cm Abstand zur Arbeitselektrode und eine Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode über eine Salzbrücke in die obere Öffnung der elektrochemischen Abscheidungszelle eingebracht.
The surface of the ultra-pure copper component was first cleaned with a lint-free tissue soaked in ethanol, then rinsed with deionized water and dried in a stream of air.
In an electrochemical deposition cell ( 7 ), consisting of a teflon body in the form of a hollow cylinder, which is open at the top and has a circular recess in the bottom, a sealing ring and a teflon plate screwed to the bottom, the flat component measuring 1.5 cm x 1.5 cm made of ultra-pure copper as the working electrode (anode) and the surface area introduced into the electrolyte solution is coated.
A platinum counter-electrode (cathode, area 2 cm×2 cm) at a distance of about 1 cm from the working electrode and a mercury/mercury sulfate reference electrode were introduced via a salt bridge into the upper opening of the electrochemical deposition cell.

Ein Flächenanteil der Arbeitselektrode von 0,78 cm2 wurde in die Elektrolytlösung, aus 10 ml eines 3:1 (v/v)-Gemischs von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser mit 0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,06 mol/l Tributylmethylammonium-Methylsulfat, bei einer Temperatur von 50 °C eingebracht. Ein Potential von 0,5 V gegenüber der Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode wurde für 10 min mit einem Heka PG310 Potentiostat angelegt. Eine Minute nach Beendigung der Polarisierung wurde der Elektrolyt entfernt, die Bauteilprobe ausgebaut und jeweils zweimal mit jeweils 15 ml Ethanol und 15 ml entionisiertem Wasser gespült und zunächst an Luft getrocknet.An area fraction of the working electrode of 0.78 cm 2 was immersed in the electrolyte solution consisting of 10 mL of a 3:1 (v/v) mixture of 100% ethanol and deionized water containing 0.05 mol/L trimesic acid and 0.06 mol/l tributylmethylammonium methyl sulfate, introduced at a temperature of 50 °C. A potential of 0.5 V versus the mercury/mercuric sulfate reference electrode was applied for 10 min with a Heka PG310 potentiostat. One minute after the end of the polarization, the electrolyte was removed, the component sample was removed and rinsed twice each with 15 ml ethanol and 15 ml deionized water and initially dried in air.

Die durchschnittliche Schichtdicke der so hergestellten mikrostrukturierten Kupfer-Trimsat-MOF-Beschichtung wurde anhand von Querschnittsaufnahmen, die mit dem Rasterelektronenmikroskop FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) aufgenommen wurden, mit durchschnittlich 12,5 µm bestimmt. Das Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem flachen Kupferbauteil ist in 3 (oben) dargestellt und zeigt das charakteristische Signalmuster eines Kupfer-Trimesat-MOF. Als Referenz dient ein berechnetes Diffraktogramm der Verbindung HKUST-1, deren Struktur in der Cambrige Structural Database unter CCDC-Nummer 112954 abgelegt ist (3, unten). Die Messung wurde im Reflexionsmodus mit einem Philips 1050 Diffraktometer mit einer Cobalt-Kα-Strahlungsquelle (λ = 1,790307 Å) durchgeführt.The average layer thickness of the microstructured copper Trimsat MOF coating produced in this way was determined to be 12.5 μm on average on the basis of cross-sectional photographs taken with the FEG Gemini Leo 1530 scanning electron microscope (Zeiss). The X-ray diffractogram of the copper trimesate MOF coating produced in this way on a flat copper component is in 3 (top) showing the characteristic signal pattern of a copper trimesate MOF. A calculated diffractogram of the compound HKUST-1, whose structure is stored in the Cambridge Structural Database under CCDC number 112954, serves as a reference ( 3 , below). The measurement was performed in reflection mode with a Philips 1050 diffractometer with a cobalt K α radiation source (λ = 1.790307 Å).

Nach drei Stunden Trocknung wurde das elektrochemisch abgeschiedene MOF mit dem Schmiermittel Krytox GPL 105 (DuPont) imprägniert.After drying for three hours, the electrodeposited MOF was impregnated with Krytox GPL 105 (DuPont) lubricant.

Vor dem Imprägnieren wurde die Oberfläche zunächst für drei Stunden unter Vakuumbedingungen bei 3 × 10-3 mbar und Raumtemperatur (25 °C) getrocknet.Before impregnation, the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3×10 -3 mbar and room temperature (25° C.).

Das Imprägnieren erfolgte anschließend bei Umgebungsdruck unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einem Handschuhkasten. Die Imprägnierung erfolgte durch Aufträufeln des Schmiermittels, bis die Oberfläche vollständig bedeckt war. In diesem Zustand wurde die Oberfläche für 10 Minuten belassen. Um überflüssiges Schmiermittel zu entfernen, wurde die Oberfläche anschließend für ca. 20 Sekunden mit trockenem Stickstoff angeblasen. Auf der imprägnierten Oberfläche wurden an dem Kontaktwinkelmessgerät DSA100 (KRÜSS) Kontaktwinkelmessungen nach Norm DIN 55660-2 2011-12-00. Beschichtungsstoffe - Benetzbarkeit - Teil 2: Bestimmung der freien Oberflächenenergie fester Oberflächen durch Messung des Kontaktwinkels. S. 1-18) durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Kontaktwinkel gemessen:

  • 114° ± 1° für Wasser,
  • 95° ± 1° für Diiodmethan und
  • 61° ± 1° für Aceton.
The impregnation then took place at ambient pressure in a protective gas atmosphere (argon) in a glove box. The impregnation was carried out by dripping the lubricant until the surface was completely covered. The surface was left in this state for 10 minutes. In order to remove superfluous lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for approx. 20 seconds. On the impregnated surface, contact angle measurements according to standard DIN 55660-2 2011-12-00 were carried out on the contact angle measuring device DSA100 (KRÜSS). Coating materials - Wettability - Part 2: Determination of the surface free energy of solid surfaces by measurement of the contact angle. p. 1-18). The following contact angles were measured:
  • 114° ± 1° for water,
  • 95° ± 1° for diiodomethane and
  • 61° ± 1° for acetone.

Beispiel 2: Imprägnierte Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf EdelstahlbauteilExample 2: Impregnated manganese dihydrogen trimesate MOF coating on a stainless steel component

Die Oberfläche des Bauteils aus Edelstahl wurde zunächst mit einem in Ethanol getränktem fusselfreien Zellstofftuch gereinigt und dann mit entionisiertem Wasser abgespült und im Luftstrom getrocknet. In einer elektrochemischen Abscheidungszelle (7), bestehend aus einem Teflonkörper in der Form eines Hohlzylinders, der zur oberen Seite hin offen ist und im Boden eine kreisförmige Aussparung aufweist, einem Dichtungsring und einem bodenseitig angeschraubten Teflonplatte, wurde das flache Bauteil aus Edelstahl der Abmessung 1,5 cm x 1,5 cm als Arbeitselektrode (Kathode) geschaltet und der in die Elektrolytlösung eingebrachte Flächenanteil beschichtet.The surface of the stainless steel component was first cleaned with a lint-free tissue soaked in ethanol, then rinsed with deionized water and dried in a stream of air. In an electrochemical deposition cell ( 7 ), consisting of a teflon body in the form of a hollow cylinder, which is open at the top and has a circular recess in the bottom, a sealing ring and a teflon plate screwed to the bottom, the flat component made of stainless steel measuring 1.5 cm x 1, 5 cm as a working electrode (cathode) and coated the area introduced into the electrolyte solution.

Dabei wurde eine Edelstahlgegenelektrode (Anode, Fläche 1,6 cm x 3 cm), welche senkrecht mit etwa 0,5 cm Abstand zur Arbeitselektrode ausgerichtet war, und eine Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode über eine Salzbrücke in die obere Öffnung der elektrochemischen Abscheidungszelle eingebracht.A stainless steel counter electrode (anode, area 1.6 cm x 3 cm), which was aligned vertically at a distance of about 0.5 cm from the working electrode, and a mercury/mercury sulfate reference electrode were introduced into the upper opening of the electrochemical deposition cell via a salt bridge.

Ein Flächenanteil der Arbeitselektrode von 0,78 cm2 wurde der wässrigen 0,1 mol/l Mangan(II)-sulfat enthaltenden Elektrolytlösung bei Raumtemperatur (23 - 25 °C) ausgesetzt und ein Potential von -2,0 V gegenüber einer Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode für eine Dauer von 30 Minuten mit einem Methrom Autolab PGSTAT204 Potentiosaten angelegt. Danach wurde die wässrige Mangan(II)-sulfat-Elektrolytlösung aus der elektrochemischen Abscheidungszelle entfernt und der Aufbau inklusive der auf dem Edelstahlbauteil elektrochemisch abgeschiedenen Manganbeschichtung dreimal mit jeweils 50 ml entionisiertem Wasser und einmal mit 50 ml Ethanol gespült und an Luft bei Raumtemperatur für 2 min getrocknet.
Zügig daran anschließend, um gesteigerte Oxidation der Manganbeschichtung an Luft zu vermeiden, wurden 10 ml einer Elektrolytlösung, enthaltend 0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,025 mol/l 2-Methylimidazol als strukturdirigierendes Additiv in einem 1:1 (v/v)-Gemischs von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser, bei Raumtemperatur in die Elektrolysezelle eingebracht.
Das Bauteil wurde nun als Arbeitselektrode (Anode) geschaltet, um die Mangan-Beschichtung elektrochemisch kontrolliert aufzulösen, und eine Platingegenelektrode (Kathode, Fläche 2 cm
* 2 cm), welche parallel mit etwa 1 cm Abstand zur Arbeitselektrode ausgerichtet war, verwendet.
Ein Potential von -1,25 V gegenüber der Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode wurde für 60 min angelegt. Eine Minute nach Beendigung der Polarisierung wurde der Elektrolyt entfernt, die Bauteilprobe ausgebaut und jeweils zweimal mit jeweils 15 ml Ethanol und 15 ml entionisiertem Wasser gespült und zunächst an Luft getrocknet.
A surface area of the working electrode of 0.78 cm 2 was the aqueous 0.1 mol/l manganese (II)-sulfate-containing electrolyte solution at room temperature (23-25 °C) and a potential of -2.0 V versus a mercury/mercuric sulfate reference electrode applied for 30 minutes with a Methrom Autolab PGSTAT204 potentiosate. The aqueous manganese(II) sulfate electrolyte solution was then removed from the electrochemical deposition cell and the structure, including the manganese coating electrochemically deposited on the stainless steel component, was rinsed three times with 50 ml of deionized water and once with 50 ml of ethanol and exposed to air at room temperature for 2 min dried.
Immediately thereafter, in order to avoid increased oxidation of the manganese coating in air, 10 ml of an electrolyte solution containing 0.05 mol/l trimesic acid and 0.025 mol/l 2-methylimidazole as a structure-directing additive were added in a 1:1 (v/v) Mixture of 100% ethanol and deionized water, introduced into the electrolytic cell at room temperature.
The component was now connected as a working electrode (anode) in order to dissolve the manganese coating in an electrochemically controlled manner, and a platinum counter-electrode (cathode, area 2 cm
* 2 cm), which was aligned parallel to the working electrode at a distance of about 1 cm.
A potential of -1.25 V versus the mercury/mercuric sulfate reference electrode was applied for 60 min. One minute after the end of the polarization, the electrolyte was removed, the component sample was removed and rinsed twice each with 15 ml ethanol and 15 ml deionized water and initially dried in air.

Die durchschnittliche Schichtdicke der so hergestellten mikrostrukturierten Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung wurde anhand von Querschnittsaufnahmen, die mit dem Rasterelektronenmikroskop FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) aufgenommen wurden, mit 15,3 µm bestimmt.The average layer thickness of the microstructured manganese dihydrogen trimesate MOF coating produced in this way was determined to be 15.3 μm on the basis of cross-sectional photographs taken with the FEG Gemini Leo 1530 scanning electron microscope (Zeiss).

Das Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem flachen Edelstahlbauteil ist in 6 (oben) dargestellt und zeigt das charakteristische Signalmuster eines Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF, mit intensitätsschwachen, stark verbreiterten Signalen, die auf die Nanokristallinität der MOF-Kristallite zurückzuführen ist. Die Kristallite bilden zusätzlich eine mesoporöse Suprastruktur im Beschichtungsverbund aus, welche in 5 abgebildet ist. The X-ray diffractogram of the manganese dihydrogen trimesate MOF coating produced in this way on a flat stainless steel component is in 6 (top) and shows the characteristic signal pattern of a manganese dihydrogen trimesate MOF, with low-intensity, strongly broadened signals, which can be attributed to the nanocrystallinity of the MOF crystallites. The crystallites also form a mesoporous superstructure in the coating composite, which 5 is shown.

Aufgrund der geringen Schichtdicke ist im Messbereich außerdem ein dem Edelstahlbauteil zuzuordnendes entsprechend gekennzeichnetes Signal zu beobachten.
Die Messung wurde im Reflexionsmodus mit einem Philips 1050 Diffraktometer mit einer Cobalt-Kα-Strahlungsquelle (λ = 1,790307 Å) durchgeführt.
Für die Auswertung wurde eine Referenzprobe hergestellt, die geeignete Kristalle für eine Röntgeneinkristallstrukturbestimmung und nach Zerkleinerung auch Röntgenpulverdiffraktometrie aufwies. Die Kristalle wurden nach sieben Tagen aus einem bei Raumtemperatur gelagertem 1:1 Gemisch aus wässriger 0,1 M Mangan(II)-sulfat-Lösung und einer dem MOF-Beschichtungselektrolyten analogen Lösung (0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,025 mol/l 2-Methylimidazol in 1:1 (v/v)-Gemisch von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser) gewonnen.
Das als Referenz in 6 (unten) gezeigte Pulverdiffraktogramm dieser Probe wurde im Transmissionsmodus mit einem Stoe Stadi P Diffraktometer mit einer Cobalt-Kα1-Strahlungsquelle (λ = 1,78896 Å) durchgeführt. Durch die Röntgeneinkristallstrukturbestimmung wurden die Struktur und die Identität der Verbindung [Mn(H2BTC)2(H2O)4] ermittelt. Dazu wurde ein messfähiger Kristall unter dem Lichtmikroskop ausgewählt, auf einen dünnen Glasfaden aufgeklebt und an einem Oxford Diffraction Xcalibur Einkristalldiffraktometer mit Sapphire 2 CCD Detektor bei λ = 0,71073 Å gemessen. Die Datenreduktion erfolgte mit CrysalisRed von Oxford Diffraction und die finalen Auswertungsschritte, Strukturlösung und -verfeinerung, mit SheIXS und ShelXL implementiert in XStep32 von Stoe.
Due to the low layer thickness, a correspondingly marked signal can also be observed in the measuring area, which can be assigned to the stainless steel component.
The measurement was performed in reflection mode with a Philips 1050 diffractometer with a cobalt K α radiation source (λ = 1.790307 Å).
A reference sample was produced for the evaluation, which had suitable crystals for an X-ray single-crystal structure determination and, after comminution, also for X-ray powder diffractometry. After seven days, the crystals were removed from a 1:1 mixture of aqueous 0.1 M manganese(II) sulfate solution and a solution analogous to the MOF coating electrolyte (0.05 mol/l trimesic acid and 0.025 mol/l 2-methylimidazole in a 1:1 (v/v) mixture of 100% ethanol and deionized water).
That for reference in 6 The powder diffraction pattern shown (below) of this sample was performed in transmission mode using a Stoe Stadi P diffractometer with a cobalt K α1 radiation source (λ = 1.78896 Å). The structure and the identity of the compound [Mn(H 2 BTC) 2 (H 2 O) 4 ] were determined by X-ray single crystal structure determination. For this purpose, a measurable crystal was selected under the light microscope, glued to a thin glass thread and measured on an Oxford Diffraction Xcalibur single crystal diffractometer with a Sapphire 2 CCD detector at λ = 0.71073 Å. Data reduction was done with CrysalisRed from Oxford Diffraction and the final evaluation steps, structure solution and refinement, with SheIXS and ShelXL implemented in XStep32 from Stoe.

Nach drei Stunden Trocknung wurde das elektrochemisch abgeschiedene MOF mit dem Schmiermittel Krytox GPL 105 (DuPont) imprägniert.After drying for three hours, the electrodeposited MOF was impregnated with Krytox GPL 105 (DuPont) lubricant.

Vor dem Imprägnieren wurde die Oberfläche zunächst für drei Stunden unter Vakuumbedingungen bei 3 × 10-3 mbar und Raumtemperatur (25 °C) getrocknet.
Das Imprägnieren erfolgte anschließend bei Umgebungsdruck unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einem Handschuhkasten. Die Imprägnierung erfolgte durch Aufträufeln des Schmiermittels, bis die Oberfläche vollständig bedeckt war. In diesem Zustand wurde die Oberfläche für 10 Minuten belassen. Um überflüssiges Schmiermittel zu entfernen, wurde die Oberfläche anschließend für ca. 20 Sekunden mit trockenem Stickstoff angeblasen.
Auf der Imprägnierten Oberfläche wurden an dem Kontaktwinkelmessgerät DSA100 (KRÜSS) Kontaktwinkelmessungen nach Norm DIN 55660-2 2011-12-00. Beschichtungsstoffe - Benetzbarkeit - Teil 2:Bestimmung der freien Oberflächenenergie fester Oberflächen durch Messung des Kontaktwinkels. S. 1-18 durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Kontaktwinkel gemessen:

  • 65° ± 3° für Wasser,
  • 95° ± 1° für Diiodmethan und
  • 65° ± 2° für Aceton.
Before impregnation, the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3×10 -3 mbar and room temperature (25° C.).
The impregnation then took place at ambient pressure in a protective gas atmosphere (argon) in a glove box. The impregnation was carried out by dripping the lubricant until the surface was completely covered. The surface was left in this state for 10 minutes. In order to remove superfluous lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for approx. 20 seconds.
On the impregnated surface, contact angle measurements according to standard DIN 55660-2 2011-12-00 were carried out on the contact angle measuring device DSA100 (KRÜSS). Coating materials - Wettability - Part 2: Determination of the surface free energy of solid surfaces by measuring the contact angle. pp. 1-18. The following contact angles were measured:
  • 65° ± 3° for water,
  • 95° ± 1° for diiodomethane and
  • 65° ± 2° for acetone.

Der im Vergleich zu Beispiel 1 verminderte Wasserkontaktwinkel ist auf die physikochemischen Eigenschaften des Linkermolekülgerüstes zurückzuführen, das beim Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF vier festgebundene hydrophil wirkende Wassermoleküle pro Formeleinheit aufweist, von denen der Wasserstoffbrückenbindungen enthaltende Gerüstaufbau bei dieser metallorganischen Verbindung abhängig ist. Dies illustriert die beschriebene Möglichkeit, das Ausmaß der Kontaktwinkelsteigerung der zu kondensierenden Fluide durch das Imprägniermittel oder durch die Wahl der MOF- beziehungsweise Linkerverbindungen zu beeinflussen.The reduced water contact angle compared to Example 1 is due to the physicochemical properties of the linker molecule structure, which in the manganese dihydrogen trimesate MOF has four firmly bound hydrophilic water molecules per formula unit, on which the structure of the structure containing hydrogen bonds is dependent in this organometallic compound. This illustrates the described possibility of influencing the extent of the contact angle increase of the fluids to be condensed through the impregnating agent or through the choice of the MOF or linker compounds.

Rasterelektronenmikroskopie ist für die Untersuchung der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen eine sehr geeignete Methode (z. B. im Vergleich zu Physisorptionsmessungen) um die Porosität/Strukturiertheit und die Gestalt der Porosität zu untersuchen. So ist es relevant, wie die Poren an der Kristallitoberfläche gestaltet sind. Die Bestimmung der BET Oberfläche durch Physisorptionsmessungen ist hingegen irreführend, da eine eine hohe BET-Oberfläche in m2/g durch Poren im „Kristallitinneren“ begründet sein könnte, während die Kristallitoberfläche relativ glatt ist.Scanning electron microscopy is a very suitable method for examining the MOF coatings produced according to the invention (eg in comparison to physisorption measurements) in order to examine the porosity/structuring and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores on the crystallite surface are designed. However, the determination of the BET surface area by physisorption measurements is misleading, since a high BET surface area in m 2 /g could be due to pores in the "interior of the crystallite", while the crystallite surface is relatively smooth.

Die REM-Aufnahmen zeigen die Rauheit/Strukturierung in der Mikrometerskale (1 bzw. 4) sowie in der Submikrometerskale bzw. Nanoskale (2 bzw. 5) der erfindungsgemäß hergestellten superhierarchisch strukturierten MOF-Beschichtung (Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1 (siehe 1 und 2) und Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 2 (siehe 4 und 5)).The SEM images show the roughness/structuring on the micrometer scale ( 1 or. 4 ) as well as in the submicrometer scale or nanoscale ( 2 or. 5 ) The superhierarchically structured MOF coating produced according to the invention (copper trimesate MOF coating on a copper component according to Example 1 (see 1 and 2 ) and manganese dihydrogen trimesate MOF coating on a stainless steel component according to embodiment 2 (see 4 and 5 )).

Die „schwarzen“ Bereiche sind dabei die Zwischenräume/Poren, in die das Schmiermittel sich einlagert, ohne jedoch eine glatte Kristallitfläche zu verursachen. Die hellen Bereiche sind der Kristallinen MOF-Verbindung zuzuordnen. In den 1, 2, 4 und 5 sieht man die Morphologie/Gestalt der MOF-Beschichtungen.The "black" areas are the gaps/pores in which the lubricant is stored without causing a smooth crystallite surface. The bright areas can be assigned to the crystalline MOF compound. In the 1 , 2 , 4 and 5 shows the morphology/shape of the MOF coatings.

Die Kristllinität zeigt sich anhand der Reflexe in der Röntgenbeugung (3 bzw. 6). Die Aufnahmen sind vor der Imprägnierung gemacht.The crystallinity is shown by the reflections in X-ray diffraction ( 3 or. 6 ). The recordings are made before impregnation.

Claims (17)

Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten, - elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel, - Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung, wobei das Metallion i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist und/oder ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt wird, und wobei das Bauteil a) gleichzeitig Elektrode ist oder b) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird, wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist, und wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufweist.Process for coating components with an omniphobic surface coating, containing at least one metal-organic framework compound and an impregnating agent, with the steps, - electrochemical deposition of the metal-organic framework on the component by means of electrolysis, from an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent, - Applying an impregnating agent to the metal-organic framework, wherein the metal ion i) is dissolved as a metal ion salt in the electrolyte solution and/or ii) is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and/or electrode at the interface between the electrode and the electrolyte solution and/or is provided in the electrolyte solution, and where the component a) is also an electrode or b) placed in an electric field between at least two electrodes will, wherein the linker compound is an organic, at least monodentate compound, and wherein the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN/m. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Abscheidung potentiostatisch, galvanostatisch und/oder mit Strom- und/oder mit Spannungspulsen erfolgt.procedure after claim 1 , characterized in that the electrochemical deposition takes place potentiostatically, galvanostatically and/or with current and/or with voltage pulses. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die organische, mindestens einzähnige Verbindung mindestens eine funktionelle Gruppe enthält, ausgewählt aus Carboxylatgruppen, Sulfonatgruppen, Phosphonatgruppen, Imidazolatgruppen, Pyridingruppen, Phenanthrolingruppen, Triazolatgruppen und/oder Tetrazolatgruppen.procedure after claim 1 , characterized in that the organic, at least monodentate compound contains at least one functional group selected from carboxylate groups, sulfonate groups, phosphonate groups, imidazolate groups, pyridine groups, phenanthroline groups, triazolate groups and/or tetrazolate groups. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet wird.Procedure according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the linker compound is formed during the electrolysis from at least one linker precursor compound. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektrochemische Umsetzung mindestens eines Bestandteils der Elektrolytlösung während der Elektrolyse die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der korrespondierenden Linkervorläuferverbindung ausgelöst wird.procedure after claim 4 , characterized in that the chemical reaction for forming the linker compound from the corresponding linker precursor compound is triggered by the electrochemical conversion of at least one component of the electrolyte solution during the electrolysis. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkervorläuferverbindung ausgewählt ist aus den freien Säuren oder Anhydriden der Linkerverbindungen.procedure after claim 4 or 5 , characterized in that the linker precursor compound is selected from the free acids or anhydrides of the linker compounds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung zusätzlich ein Leitsalz und/oder strukturdirigierendes Additiv enthält.Procedure according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the electrolyte solution additionally contains a conducting salt and/or structure-directing additive. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Metallion zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung ausgewählt ist aus Cu+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Al3+, Mg2+, Ti4+, Ti3+, Zr4+, Mn3+, Mn4+, Cr3+, V2+, V3+, V4+, Mo3+, W3+, Ni2+, Ni+, Ag+, Au+, Sn2+, Sn4+, Si2+, Si4+, Pb2+, Pb4+ und/oder Zn2+.Procedure according to one of Claims 1 until 7 , characterized in that the at least one metal ion for the synthesis of the metal-organic framework is selected from Cu + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Al 3+ , Mg 2+ , Ti 4 + , Ti 3+ , Zr 4+ , Mn 3+ , Mn 4+ , Cr 3+ , V 2+ , V 3+ , V 4+ , Mo 3+ , W 3+ , Ni 2+ , Ni + , Ag + , Au + , Sn 2+ , Sn 4+ , Si 2+ , Si 4+ , Pb 2+ , Pb 4+ and/or Zn 2+ . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Metallionvorläufer enthaltendes Material ist.Procedure according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the component is a metal ion precursor containing material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine Metallionvorläufer enthaltende Beschichtung umfasst.Procedure according to one of Claims 1 until 9 , characterized in that the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing metal ion precursors. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Metallionen generierende Elektrode geschaltet ist.Procedure according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the component is switched during the electrochemical deposition as a metal ion-generating electrode. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Elektrode fungiert.Procedure according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that the component functions as a linker connection generating electrode. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägniermittel ausgewählt ist aus perfluorierten Polymeren und/oder Perfluoralkylethern und/oder teilfluorierten und/oder polyfluorierten Polymeren oder Alkylethern.Procedure according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that the impregnating agent is selected from perfluorinated polymers and/or perfluoroalkyl ethers and/or partially fluorinated and/or polyfluorinated polymers or alkyl ethers. Omniphobe Oberflächenbeschichtung, enthaltend eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, wobei die metallorganische Gerüstverbindung Mikro- und/ oder Meso- und/oder Makroporen enthält, wobei die metallorganische Gerüstverbindung ein Porenvolumen von 0,002 cm3/g bis 3,5 cm3/g aufweist, wobei die metallorganische Gerüstverbindung eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g bis 2500 m2/g aufweist, wobei die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung 100 nm bis 1 mm beträgt, wobei das Imprägniermittel eine Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufweist.Omniphobic surface coating containing a metal-organic framework compound and an impregnating agent, the metal-organic framework compound containing micro- and/or meso- and/or macropores, the metal-organic framework compound having a pore volume of 0.002 cm 3 /g to 3.5 cm 3 /g, wherein the metal-organic framework compound has a specific surface area of 5 m 2 /g to 2500 m 2 /g, the layer thickness of the surface coating being 100 nm to 1 mm, the impregnating agent having a surface tension of <30 mN/m. Verwendung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 auf Bauteilen zur Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 75 mN/m.using an omniphobic surface coating Claim 14 on components for droplet condensation of fluids with a surface tension of < 75 mN/m. Verwendung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 in Wärmeübertragern.using an omniphobic surface coating Claim 14 in heat exchangers. Wärmeübertrager, umfassend eine omniphobe Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 oder hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.Heat exchanger comprising an omniphobic surface coating Claim 14 or produced in a process according to any one of Claims 1 until 13 .
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