DE102020120702A1 - Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials und Nanopartikelmaterial - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials, umfassend die folgenden Schritte: Schritt 1): Lösen eines oder mehrerer Metallsalze(s) in einem Lösungsmittel, Schritt 2): Versetzen der in Schritt 1) erhaltenen Lösung von einem oder mehreren Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en), um eine Mischung von einem oder mehreren gelösten Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en) zu erhalten, Schritt 3): Durchmischen der in Schritt 2) erhaltenen Mischung, Schritt 4): Zugabe eines Reduktionsmittels, wobei die Zugabe des Reduktionsmittels vor, während oder nach Schritt 3) erfolgen kann, und Schritt 5): Bilden des Nanopartikelmaterials durch Reduktion des einen oder der mehreren gelösten Metallsalze(s) durch das Reduktionsmittel. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Nanopartikelmaterial, erhältlich durch das genannte Verfahren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials, welches katalytische Aktivität bei unterschiedlichen chemischen Reaktionen aufweist, ein derartiges Nanopartikelmaterial, einen elektrochemischen Reaktor, der ein derartiges Nanopartikelmaterial umfasst, sowie ein System zur Abgasbehandlung, welches ein derartiges Nanopartikelmaterial umfasst.
  • Zum Erreichen der Klimaschutzziele ist eine Abkehr von fossilen Energieträgern erforderlich. Zwar lässt sich erneuerbare elektrische Energie in beachtlichem Ausmaß aus Wind- und Sonnenenergie gewinnen, jedoch ist die Speicherung der so gewonnen Energie schwierig. Als klimaneutrale und wetterunabhängige Ergänzung zur Energiegewinnung aus Wind- und Sonnenenergie spielt Energie aus Biomasse eine entscheidende Rolle. Hierbei hat Bioethanol als Zusatz zu fossilen Brennstoffen bereits heute einen großen Anteil. So ist Benzin in Deutschland mit bis zu 5 bzw. bis zu 10 Volumen% Ethanol (Super E5 bzw. Super E10) versetzt. Andere Benzinsorten, wie E85 mit 85 Volumen% Ethanol, kommen zum Beispiel in Brasilien flächendeckend zum Einsatz, werden jedoch auch in Europa zunehmend eingesetzt. Das den fossilen Brennstoffen zugesetzte Ethanol wird aus biologischen Ressourcen durch Fermentation gewonnen, wobei sich als biologische Ressourcen eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzenmaterialien, die Stärke, Zucker und/oder Cellulose aufweisen, eignet. Dies macht deutlich, dass Ethanol aus erneuerbaren Quellen, d.h. aus Pflanzenmaterial, in beträchtlichem Ausmaß zur Verfügung steht. Bei der gemeinsamen Verbrennung von Ethanol mit fossilen Brennstoffen in konventionellen Verbrennungsmotoren wird jedoch nur ein verhältnismäßig geringer Teil des energetischen Potentials des Ethanols ausgenutzt.
  • Wesentlich höhere Wirkungsgrade als in Verbrennungsmotoren lassen sich mit Brennstoffzellen realisieren, die chemische Energie direkt, d.h. ohne thermische Verbrennung, in elektrische Energie umwandeln. In Direktethanolbrennstoffzellen wird hierfür Ethanol als Brennstoff eingesetzt. Andere häufig verwendete Brennstoffe für Brennstoffzellen sind zum Beispiel Wasserstoff, Methan und Methanol. Der Einsatz von Ethanol als Brennstoff weist im Vergleich zu anderen Brennstoffen mehrere Vorteile auf. Im Vergleich zu Methanol verfügt Ethanol über eine wesentlich höhere theoretische Energiedichte, da die vollständige Oxidation eines Ethanol-Moleküls gemäß Gleichung (1) 12 Elektronen freisetzt. Im Gegensatz dazu werden bei der vollständigen Oxidation von Methanol gemäß Gleichung (2) lediglich 6 Elektronen freigesetzt. H3CCH2OH + 3 H2O → 12 H+ + 12 e- + 2 CO2 (1) H3COH + H2O → 6 H+ + 6 e- + CO2 (2)
  • Ein weiterer Vorteil des Brennstoffs Ethanol besteht darin, dass er wesentlich ungiftiger ist als Methanol. Folglich ist die Handhabung von Ethanol deutlich einfacher und ungefährlicher als die von Methanol.
  • Auch gegenüber gasförmigen Brennstoffen, wie Wasserstoff und Methan, weist Ethanol Vorteile auf, insbesondere in Bezug auf die Speicherung, aber auch bezüglich der Herstellung aus erneuerbaren Rohstoffen. Als Flüssigkeit lässt sich Ethanol einfach in Tanks bevorraten. Hingegen erfolgt bei gasförmigen Brennstoffen, wie Wasserstoff oder Methan, die Bevorratung in der Regel unter hohem Druck und in Behältnissen, die dafür ausgelegt sein müssen. Wie bereits oben erwähnt, ist die Herstellung von Ethanol aus biologischen Rohstoffen bereits weit verbreitet.
  • In Direktethanolbrennstoffzellen wird zur elektrochemischen Oxidation des Ethanols ein Katalysator verwendet. Typischerweise wird hierbei Platin eingesetzt. Neben den hohen Kosten für Platin liegt ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Katalysatoren darin, dass diese in der Regel nicht in der Lage sind, die vollständige Oxidation zu katalysiert, wie sie in Gleichung (1) dargestellt ist. Vielmehr ist zu beobachten, dass die Oxidation des Ethanols nur teilweise erfolgt und bei Acetaldehyd, wie durch Gleichung (3) angegeben, oder bei Essigsäure, wie durch Gleichung (4) angegeben, stehen bleibt. Gründe hierfür sind, dass bei den herkömmlichen Platin-basierten Katalysatoren die Produkte der Teiloxidation, d.h. Essigsäure und Acetaldehyd, als Katalysatorgifte wirken. Dies führt dazu, dass zum einen das vollständige Potenzial des Brennstoffs nicht ausgeschöpft wird und zum anderen die Lebensdauer des Katalysators begrenzt ist. Da bei der Teiloxidation lediglich 2 bzw. 4 Elektronen freigesetzt werden, lässt sich mit den herkömmlichen Katalysatoren auch nicht das volle elektrochemische Potenzial des Brennstoffs Ethanol ausschöpfen. H3CCH2OH → 2 H+ + 2 e- + H3CCHO (3) H3CCH2OH + H2O → 4 H+ + 4 e- + H3CCOOH (4)
  • Trotz der genannten Vorteile des Brennstoffs Ethanol und der etablierten großvolumigen Herstellung desselben aus erneuerbaren Ressourcen erfordert dessen Einsatz in Brennstoffzellen aufgrund der mit den herkömmlichen Katalysatoren assoziierten Nachteilen eine Verbesserung des Katalysatorsystems hinsichtlich der katalytischen Selektivität, d.h. eine vollständigere Oxidation als durch Gleichungen (3) und (4) angegeben, und der katalytischen Produktivität, d.h. eine erhöhte Lebensdauer des Katalysators.
  • Es versteht sich, dass verbesserte Katalysatorsysteme auch für andere elektrochemische Membranreaktionen, wie beispielsweise der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, und für homogen und heterogen katalysierte Reaktionen, wie beispielsweise Kreuzkupplungsreaktionen, wie der Suzuki-Kupplung, oder bei Carbonylierungsreaktionen, zum Beispiel an heterozyklischen Gerüsten, erwünscht sind.
  • Die Nutzung erneuerbarer Energien wird in Zukunft vermutlich eine noch größere Rolle einnehmen als bisher schon. Jedoch ist davon auszugehen, dass auch konventionelle Technologien auf Basis thermischer Verbrennung weiterhin eine wichtige Rolle spielen. Bei der thermischen Verbrennung in Verbrennungsmotoren, ob auf Basis von fossilen oder erneuerbaren Energieträgern, entstehen die Stickoxide NO und NO2, die zusammengefasst als NOX bezeichnet werden. Abgesehen von der Toxizität der Stickoxide, tragen diese auch zur Bildung von sogenanntem saurem Regen bei. Der NOX-Ausstoß ist insbesondere bei effizienten, selbstzündenden Motoren, d.h. Dieselmotoren, hoch. Zur Reduktion des NOX-Ausstoßes werden daher Abgasreinigungssysteme eingesetzt, die eine selektive katalytische Reduktion von NOX bewirken, sogenannte SCR-Systeme. Bekannte SCR-Systeme setzen voraus, dass dem Abgasstrom Harnstoff als Ammoniakquelle zugesetzt wird. Der aus dem Harnstoff erzeugte Ammoniak reagiert in Gegenwart von zumeist Pd-basierten Katalysatoren mit dem NOX zu Stickstoff und Wasser, wodurch letztendlich der Abgasstrom von NOX gereinigt wird.
  • Jedoch ist insbesondere beim Kaltstart von Verbrennungsmotoren die Abgastemperatur zu gering, um Harnstoff in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zu spalten. Ein Zusatz von Harnstoff in das kalte Abgas kann ferner dazu führen, dass das Abgasreinigungssystem beschädigt wird, wie beispielsweise in DE 10 2018 111 275 A1 beschrieben. Um zu vermeiden, dass bei tiefen Abgastemperaturen, wie nach einem Kaltstart eines Dieselmotors, große Mengen NOX freigesetzt werden, sind daher alternative Reduktionsmittel, wie in DE 10 2018 111 275 A1 beschrieben, oder Speichersysteme erforderlich, die NOX während der Kaltstartphase speichern und zu einem Zeitpunkt wieder abgeben, wenn die Temperaturen des Abgasstroms ausreichend hoch sind, um die Spaltung von Harnstoff in Ammoniak und Kohlenstoffdioxid zu bewirken, sodass Ammoniak für die Reduktion von NOX verfügbar ist, d.h. die bekannte SCR-Behandlung des Abgases erfolgen kann. Auch wenn mit Wasserstoff die NOx-Reduktion über die sogenannte H2-SCR-Route auch bei tiefen Temperaturen erreicht werden kann, sind die verfügbaren Katalysatoren in der Regel auf Platin basiert und damit sehr teuer und nicht optimal hinsichtlich der Selektivität zu Stickstoff, es wird als Hauptprodukt Lachgas gebildet. Hinzu kommt, dass zur Verwendung der H2-SCR-Route eine Wasserstoffquelle, in Form eines Vorrats oder eines Reaktors, benötigt wird. Da derartige Wasserstoffquellen unerwünscht sind und dennoch der NOx Ausstoßes während einer Kaltstartphase verringert werden soll, besteht ein Bedarf an Materialien, die bereits bei geringen Temperaturen NOx adsorbieren und dieses bei höheren Temperaturen wieder freisetzen, sodass das bei hohen Temperaturen freigesetzte NOx mittels bestehender Verfahren zu Stickstoff reduziert werden kann. Idealerweise verhält sich das NOx-Adsorbierende Material hierbei reversibel, sodass nach einer Beladung dieses Materials bei kalten Abgastemperaturen, das Speichermaterial bei höheren Abgastemperaturen regeneriert wird, sodass es bei dem nächsten Kaltstart wieder in der Lage ist NOx zu adsorbieren.
  • Es besteht daher Bedarf an einem Material, das katalytisch aktiv ist in der elektrochemischen Oxidation von Ethanol, in elektrochemischen Membranreaktionen, wie beispielsweise der Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse, und in homogen und heterogen katalysierten organisch chemischen Reaktionen, wie beispielsweise Kreuzkupplungsreaktionen, wie der Suzuki-Kupplung, oder in Carbonylierungsreaktionen, zum Beispiel an heterozyklischen Gerüsten. Weiter besteht ein Bedarf an Materialien, die in der Lage sind, NOx aus Abgasströmen zu adsorbieren und zu gewünschten Zeitpunkten wieder freizusetzen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein derartiges Material durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials werden die folgenden Schritte durchgeführt: Schritt 1): Lösen von einem oder mehreren Metallsalz(en) in einem Lösungsmittel. Schritt 2): Versetzen der in Schritt 1) erhaltenen Lösung von einem oder mehreren Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en), um eine Mischung von einem oder mehreren gelösten Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en) zu erhalten. Schritt 3): Durchmischen der in Schritt 2) erhaltenen Mischung. Schritt 4): Zugabe eines Reduktionsmittels, wobei die Zugabe des Reduktionsmittels vor, während oder nach Schritt 3) erfolgen kann, und Schritt 5): Bilden des Nanopartikelmaterials durch Reduktion des einen oder der mehreren gelösten Metallsalze(s) durch das Reduktionsmittel.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Nanopartikelmaterial, das erhältlich ist durch das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Membranelektrodeneinheit, umfassend eine Membran und eine Elektrode, wobei die Elektrode in elektrischem Kontakt steht mit einem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle, die eine solche Membranelektrodeneinheit umfasst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial äußerst einfach herstellen. Das Verfahren benötigt keine Schutzgasatmosphäre, kann also in Gegenwart von Luft durchgeführt werden. Außerdem ist das Verfahren in einem moderaten Temperaturbereich durchführbar und benötigt keine ausgiebigen Trocknungsschritte, da das Nanopartikelmaterial als Feststoff anfällt und leicht von den flüssigen Bestandteilen der Reaktionsmischung, zum Beispiel durch Zentrifugation oder Filtration, abgetrennt werden kann. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, erfolgt die Bildung der Nanostrukturen durch die Kombination aus einem Zusatz des Tensids bzw. der Tenside in Schritt 2) sowie der anschließenden Durchmischung in Schritt 3). Das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial weißt daher eine Nanostruktur auf, d.h. das Material weist Partikel auf, die das Metall bzw. die Metalle des einen bzw. der mehreren Metallsalze enthalten. Durch die Kombination aus Tensid-Einsatz und Durchmischen bildet sich die Nanostruktur auf einfache Weise aus. Die besondere katalytische Aktivität des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials ist einerseits von der Art des enthaltenen Metalls bzw. der enthaltenen Metalle abhängig, wird jedoch auch maßgeblich durch die Nanostruktur verursacht, die während des Herstellungsverfahrens durch die kombinierte Verwendung von Tensid und Durchmischen aufgebaut wird.
  • Der hierin verwendete Begriff „Nanopartikelmaterial“ bezieht sich auf ein Material, das eine Vielzahl an Nanopartikeln aufweist. Wobei unter „Nanopartikel“ Partikel verstanden werden, deren mittlerer Partikeldurchmesser D50 kleiner oder gleich 100 nm ist, d.h. 50% der Partikel sind kleiner oder gleich 100 nm. Die Bestimmung der hierin erwähnten mittleren Partikeldurchmesser erfolgt durch Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen (TEM-Aufnahmen).
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen und nachfolgend wiedergegeben.
  • In Schritt 1) des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen vorzugsweise das eine Metallsalz oder die mehreren Metallsalze ein Ion eines Übergangsgruppenmetalls auf. Die besondere Nanostruktur des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials ergibt sich aus dem Herstellungsverfahren und lässt sich mit einer Vielzahl unterschiedlicher Metalle realisieren. Jedoch hat es sich hinsichtlich katalytischer Aktivität als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Metallsalz bzw. die Metallsalze ein Ion zumindest eines Metalls aufweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Ru, Rh, Ir, Fe, Co, Ni, Cu, W, Zr und Hf. Zusätzlich zu den genannten Metallen können ein weiteres oder mehrere weitere Element(e), zum Beispiel Stickstoff oder Phosphor, als Dotierung enthalten sein. Eine Dotierung bezeichnet hierbei ein Element, das in dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial in einer Menge von kleiner oder gleich 10 mol%, bevorzugter von kleiner oder gleich 5 mol%, noch bevorzugter von kleiner oder gleich 3 mol% noch weiter bevorzugter von kleiner oder gleich 1 mol% vorliegt. Es ist auch Bestandteil der vorliegenden Erfindung, dass in Schritt 1) kein weiteres Element zur Dotierung zugesetzt wird. Metallionen, die während des erfindungsgemäßen Verfahrens in Lösung bleiben, z.B. Alkali- oder Erdalkaliionen, stellen hingegen keine Dotierung dar.
  • Bei dem Metallsalz bzw. den Metallsalzen kann es sich um beliebige Metallsalze handeln, solange diese in einem geeigneten Lösungsmittel löslich sind. Insbesondere kann es sich um Halogenide, Sulfate, Carbonate, Nitrate, Phosphate, Carbonate, Oxalate und/oder Thiosulfate handeln. Halogenide, insbesondere, Chloride und Bromide, sind hierbei besonders bevorzugt, da diese häufig eine hohe Wasserlöslichkeit aufweisen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Lösungsmittel vorzugsweise Wasser. Im Hinblick auf einfache Handhabbarkeit, Sicherheit und Kosten sowie um ein hohes Lösungsvermögen für Salze handelt es sich bei dem Lösungsmittel vorzugsweise um Wasser. Höchst bevorzugt wird dem Wasser kein weiteres Lösungsmittel zugesetzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich der pH-Wert des Wassers durch Zugabe von Säuren und Basen einstellen. Auch hierüber kann die Löslichkeit der eingesetzten Metallsalze erhöht werden. Zur Verbesserung der Löslichkeit des Metallsalzes bzw. der Metallsalze, können auch Chelatbildner eingesetzt werden. Beispiele für derartige Chelatbildner sind Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) oder substituierte und unsubstituierte Kronenether, wie 15-Krone-5, 18-Krone-6, Kryptanden oder Aza-Kronenether. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorteilhafter Weise ausführen, indem das Metallsalz bzw. die Metallsalze direkt in Wasser gelöst werden, ohne dass der pH-Wert durch Einsatz von Säuren oder Basen eingestellt wird und ohne dass Chelatbildner zugegeben werden.
  • Vorteilhafterweise werden in Schritt 1) Salze von allen Elementen gelöst, die in dem Nanopartikelmaterial enthalten sein sollen, gegebenenfalls einschließlich gewünschter Dotierungen.
  • Bevorzugt werden in Schritt 1) zumindest zwei verschiedenen Metalle gelöst, wobei zumindest eines dieser Metalle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Ru, Rh, Ir, Fe, Co, Ni, Cu, W, Zr und Hf, insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Pd, Ag, Pt, Ni. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind von den zumindest zwei verschiedenen Metallen zwei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Ru, Rh, Ir, Fe, Co, Ni, Cu, W, Zr und Hf, insbesondere aus der Gruppe bestehend aus Pd, Ag, Pt, Ni. Vorzugsweise liegt das molare Verhältnis der zwei verschiedenen Metalle im Bereich von 1:4 bis 4:1, noch bevorzugter im Bereich von 1:2 bis 2:1. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat sich gezeigt, dass auch bei Einsatz von zwei oder mehr unterschiedlichen Metallionen diese nach der Reduktion eine Legierung bilden, d.h. in dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial liegen die Metalle nicht als separate Nanopartikel vor, sondern sind in den Nanopartikeln gemischt.
  • Ein Metallsalz kann dabei aus einem Metallion und einem Gegenion bestehen, wobei auch Metallsalze eingesetzt werden können, welche zwei unterschiedliche Metallionen aufweisen, z.B. K2PdCl4. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt 1) eine wässrige Lösung von K2PdCl4 und NiCl2-6H2O gebildet. Das molare Verhältnis von Pd zu Ni liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 4, noch bevorzugter im Bereich von 0,5 bis 2, noch bevorzugter im Bereich von 0,75 bis 1,5.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Konzentration des Tensids in Schritt 2) vorzugsweise so gewählt, dass diese oberhalb einer kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt das molare Verhältnis von Tensid zur Summe der gelösten und zu reduzierenden Metallionen vorzugsweise 0,1:1 bis 100:1, noch bevorzugter im Bereich von 1:1 bis 50:1, noch weiter bevorzugt im Bereich von 2:1 bis 6:1. Es versteht sich, dass zu reduzierende Metallionen solche sind, deren Redox-Potential es erlaubt, durch das eingesetzte Reduktionsmittel reduziert zu werden. Ionen von Alkalimetallen und Erdalkalimetallen fallen nicht unter die zu reduzierenden Metalle.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem in Schritt 2) zugegebenen Tensid um ein ionisches oder ein nichtionisches Tensid. Noch weiter bevorzugt ist hierbei ein ionisches Tensid, höchst bevorzugter ein kationisches Tensid. Höchst bevorzugt weist das kationische Tensid eine Kohlenstoffkette mit einer Länge von 10 bis 30, insbesondere von 12 bis 25, Kohlenstoffatomen auf.
  • Beispiele für anionische Tenside sind solche, die NH4 +, K+, Na+ oder Li+ als Gegenion umfassen. Das in Schritt 2) einsetzbare anionische Tensid kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Kaliumlaurat, Triethanolammoniumstearat, Ammoniumlaurylsulfat, Lithiumdodecylsulfat, Natriumlaurylsulfat, Natriumdodecylsulfat, Alkylpolyoxyethylensulfat, Natriumalginat, Dioctylnatriumsulfosuccinat, Phosphatidylglycerol, Phosphatidylinositol, Phosphatidylserin, Phosphatidsäure und Salze derselben, Glycerolester, Natriumcarboxymethylcellulose, Gallensäure und Salze derselben, Cholsäure, Desoxycholsäure, Glycocholsäure, Taurocholsäure, Glycodesoxycholsäure, Alkylsulfonat, Arylsulfonat, Alkylphosphat, Alkylsulfonat, Stearinsäure und Salze derselben, Calciumstearat, Phosphat, Natriumcarboxymethylcellulose, Dioctylsulfosuccinat, Dialkylester von Natriumsulfosuccinsäure, Phospholipid und Calciumcarboxymethylcellulose.
  • Beispiele für kationische Tenside sind solche, die I-, Br- oder Cl- als ein Gegenion umfassen. Das in Schritt 2) einsetzbare kationische Tensid kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus quaternären Ammoniumverbindungen, Benzalkoniumchlorid, Cetyltrimethylammoniumbromid, Chitonsäure, Lauryldimethylbenzylammoniumchlorid, Acylcarnitinhydrochlorid, Alkylpyridiniumhalogenid, Cetylpyridiniumchlorid, kationischen Lipiden, Polymethylmethacrylattrimethylammoniumbromid, Sulfoniumverbindungen, Polyvinylpyrrolidon-2-dimethylaminoethylmethacrylatdimethylsulfat, Hexadecyltrimethylammoniumbromid, Phosphoniumverbindungen, Benzyl-di(2-chlorethyl)ethylammoniumbromid, Kokostrimethylammoniumchlorid, Kokostrimethylammoniumbromid, Kokosmethyldihydroxyethylammoniumchlorid, Kokosmethyldihydroxyethylammoniumbromid, Decyltriethylammoniumchlorid, Decyldimethylhydroxyethylammoniumchlorid, Decyldimethylhydroxyethylammoniumchloridbromid, C12-15-Dimethylhydroxyethylammoniumchlorid, C12-15-Dimethylhydroxyethylammoniumchloridbromid, Kokosdimethylhydroxyethylammoniumchlorid, Kokosdimethylhydroxyethylammoniumbromid, Myristyltrimethylammoniummethylsulphat, Lauryldimethylbenzylammoniumchlorid, Lauryldimethylbenzylammoniumbromid, Lauryldimethyl(ethenoxy)4-ammoniumchlorid, Lauryldimethyl(ethenoxy)4-ammoniumbromid, N-alkyl-(C12-18)dimethylbenzylammoniumchlorid, N-Alkyl-(C14-18)dimethyl-benzylammoniumchlorid, N-Tetradecyldimethylbenzylammoniumchloridmonohydrat, Dimethyldidecylammoniumchlorid, N-Alkyl-(C12-14)dimethyl-1-naphthylmethylammoniumchlorid, Trimethylammoniumhalogenidalkyltrimethylammoniumsalze, Dialkyl-dimethylammoniumsalze, Lauryltrimethylammoniumchlorid, ethoxylierten Alkyamidoalkyldialkylammoniumsalzen, ethoxylierten Trialkylammoniumsalzen, Dialkylbenzoldialkylammoniumchlorid, N-Didecyldimethylammoniumchlorid, N-Tetradecyldimethylbenzylammoniumchloridmonohydrat, N-Alkyl-(C12-14)-dimethyl-i-naphthylmethylammoniumchlorid, Dodecyldimethylbenzylammoniumchlorid, Dialkylbenzolalkylammoniumchlorid, Lauryltrimethylammoniumchlorid, Alkylbenzylmethylammoniumchlorid, Alkylbenzyldimethylammoniumbromid, C12-Trimethylammoniumbromid, C15-Trimethylammoniumbromid, C17-Trimethylammoniumbromid, Dodecylbenzyltriethylammoniumchlorid, Polydiallyldimethylammoniumchlorid, Dimethylammoniumchlorid, Alkyldimethylammoniumhalogenid, Tricetylmethylammoniumchlorid, Decyltrimethylammoniumbromid, Dodecyltriethylammoniumbromid, Tetradecyltrimethylammoniumbromid, Methyltrioctylammoniumchlorid, Tetrabutylammoniumbromid, Benzyltrimethylammoniumbromid, Cholinester, Benzalkoniumchlorid, Stearalkoniumchlorid, Cetylpyridiniumbromid, Cetylpyridiniumchlorid, Halogenidsalzen von quaternisierten Polyoxyethylalkylaminen, Alkylpyridiniumsalzen, Amin, Aminsalzen, Imidazoliniumsalzen, protonierten quaternären Acrylamiden, methylierten quaternären Polymeren, kationischem Guargummi, Benzalkoniumchlorid, Dodecyltrimethylammoniumbromid, Triethanolamin und Poloxamin. Bevorzugt sind kationische Tenside, die quartäre Ammoniumgruppen aufweisen, insbesondere mit einem Halogenid als Anion. Hierbei sind insbesondere bevorzugt sind hierbei Cetyltrimethylammoniumbromid, Polymethylmethacrylattrimethylammoniumbromid, Hexadecyltrimethylammoniumbromid, Benzyl-di(2-chlorethyl)ethylammoniumbromid, Kokostrimethylammoniumbromid, Kokosmethyldihydroxyethylammoniumbromid, Kokosdimethylhydroxyethylammoniumbromid, Lauryldimethylbenzylammoniumbromid, Lauryldimethyl(ethenoxy)4-ammoniumbromid, Alkylbenzyldimethylammoniumbromid, Trimethylammoniumbromid, C15-Trimethylammoniumbromid, C17-Trimethylammoniumbromid, Decyltrimethylammoniumbromid, Dodecyltriethylammoniumbromid, Tetradecyltrimethylammoniumbromid, Tetrabutylammoniumbromid, Benzyltrimethylammoniumbromid und Dodecyltrimethylammoniumbromid. Unter diesen ist der Einsatz von Cetyltrimethylammoniumbromid besonders bevorzugt.
  • Beispiele für nichtionische Tenside, die in Schritt 2) eingesetzt werden können, umfassen solche, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Polyoxyethylenfettalkoholether, Polyoxyethylensorbitanfettsäureester, Polyoxyethylenfettsäureester, Polyoxyethylenalkylether, Polyoxyethylencastorölderivativen, Sorbitanester, Glycerolester, Glycerolmonostearat, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, Polypropylenglycolester, Cetylalkohol, Cetostearylalkohol, Stearylalkohol, Arylalkylpolyetheralkohol, Polyoxyethylenpolyoxypropylen-Copolymere, Poloxamer, Poloxamin, Methylcellulose, Hydroxycellulose, Hydroxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulosephthalat, nicht kristalliner Cellulose, Polysacchariden, Stärke, Stärkederivativen, Hydroxyethylstärke, Polyvinylalkohol, Triethanolaminstearat, Aminoxid, Dextran, Glycerol, Gummiakazia, Cholesterol, Tragacanth und Polyvinylpyrrolidon.
  • Das Durchmischen in Schritt 3) kann durch verschiedene bekannte Verfahren erzielt werden. Als besonders geeignet haben sich hierbei eine Behandlung mit Ultraschall und eine Behandlung mit einem Vortex-Mischer erwiesen. Höchst bevorzugt wird das Durchmischen in Schritt 3) des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Ultraschallbehandlung erreicht, insbesondere durch Ultraschallbehandlung für einen Zeitraum von mindestens 10 Sekunden, bevorzugt mindestens 30 Sekunden, noch bevorzugter von mindestens 60 Sekunden, um eine gewünschte Nanostruktur auszubilden. Eine Obergrenze für die Zeitspanne der Ultraschallbehandlung ist nicht gegeben. Jedoch ist nach einer gewissen Zeit kein weiterer Effekt mehr zu beobachten, sodass die Ultraschallbehandlung vorzugsweise für 20 Stunden oder kürzer, für 15 Stunden oder kürzer, für 5 Stunden oder kürzer, für 1 Stunde oder kürzer oder für 30 Minuten oder kürzer durchgeführt wird.
  • Als Reduktionsmittel können in dem erfindungsgemäßen Verfahren solche eingesetzt werden, die in der Lage sind, das Metallion des in Schritt 1) gelösten Metallsalzes bzw. der Metallsalze zu reduzieren, um das Metall in elementarer Form zu erzeugen. Vorzugsweise ist hierbei das Reduktionsmittel ein Hydrid-Material, insbesondere Lithiumaluminiumhydrid, Natriumborhydrid und/oder Natriumhydrid. Hinsichtlich Reaktivität hat sich Natriumborhydrid als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, nach Schritt 4) die Temperatur zu erhöhen, sodass die Reduktion in Schritt 5) oberhalb der Raumtemperatur erfolgt, bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 100 °C, noch bevorzugter in einem Bereich von 45 bis 75 °C. Wenn hierin Raumtemperatur erwähnt wird, so ist eine Temperatur von 20 °C gemeint. Mit einer Reaktionstemperatur im vorgenannten Bereich läuft die Reduktion der Metallsalze kontrolliert ab, sodass sich die erwünschten Nanostrukturen des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials ausbilden. Bei kürzeren Reaktionszeiten, d.h. bei höheren Temperaturen oder sehr hohen Konzentrationen des Reduktionsmittels, kann die Reduktionsreaktion schwierig zu kontrollieren sein und es entstehen nur schlecht definierte Nanostrukturen. Sind hingegen die Reaktionstemperaturen wesentlich niedriger, als oben angegeben, kann es sein, dass die Reduktion überhaupt nicht stattfindet oder nur sehr langsam abläuft. Die Reaktionsdauer der Reduktion in Schritt 5) kann durch Variation der Temperatur und/oder durch die Geschwindigkeit der Zugabe des Reduktionsmittels und oder durch Variation der Konzentration des Reduktionsmittels in einem breiten Bereich verändert werden. Bevorzugt ist die Reaktionsdauern der Reduktion in Schritt 5) eingestellt auf einen Zeitraum im Bereich von 1 Stunde bis 72 Stunden, weiter bevorzugt im Bereich von 2 Stunden bis 48 Stunden, noch bevorzugter im Bereich von 5 Stunden bis 36 Stunden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es bevorzugt, das Reduktionsmittel in einer Menge zuzugeben, dass die Konzentration in einem Bereich von 0.005 bis 1.5 mol/Liter, noch bevorzugter von 0.01 bis 1.0 mol/Liter, noch weiter bevorzugter von 0.02 bis 0.8 mol/Liter und höchst bevorzugt von 0.03 bis 0.5 mol/Liter liegt. Bezogen auf die Menge an gelösten und zu reduzierenden Metallionen wird das Reduktionsmittel vorzugsweise im Überschuss eingesetzt. Die Stoffmenge des Reduktionsmittels beträgt vorzugsweise das 1,5 bis 100-fache, noch bevorzugter das 3 bis 50-fache, noch weiter bevorzugt das 5 bis 20-fache, der Summe der Stoffmengen der zu reduzierenden Metall bzw. des zu reduzierenden Metalls.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Zugabe des Reduktionsmittels in Schritt 4), der zeitlich mit Schritt 3) zusammenfallen kann, davor stattfinden kann oder auch danach stattfinden kann. Vorzugsweise erfolgt jedoch die Zugabe des Reduktionsmittels nach dem der Schritt 3) der Durchmischung beendet ist. Insbesondere wenn die Durchmischung durch Ultraschallbehandlung erfolgt, ist es bevorzugt, die Zugabe des Reduktionsmittels erst nach Abschluss der Ultraschallbehandlung vorzunehmen. Bei einer Ultraschallbehandlung kann eine sogenannte Kavitation auftreten, wodurch in lokal begrenzten Volumina der Mischung sogenannte sonochemische Reaktionen auftreten können. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn das Reduktionsmittel bereits vor der Ultraschallbehandlung in dem Reaktionsmedium enthalten ist oder wird währenddessen zugesetzt wird. Derartige sonochemische Reaktionen können jedoch unerwünscht sein, da es hierbei schwierig ist, das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial in einer homogenen Weise herzustellen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Nanopartikelmaterial in Schritt 5) als Feststoff ausfallen oder in dem Lösungsmittel dispergiert vorliegen. Zur Abtrennung des Nanopartikelmaterials kann die Reaktionsmischung nach Schritt 5) einer Zentrifugation oder einer Filtration unterzogen werden. Hierbei ist die Zentrifugation bevorzugt, da aufgrund sehr kleiner Partikelgrößen von kleiner gleich 100 nm eine Filtration oft nicht ohne weiteres möglich ist.
  • Nach der Abtrennung der Nanopartikel aus der Reaktionsmischung können diese direkt in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel hierein beschrieben, eingesetzt werden. Jedoch ist es bevorzugt, wenn das Nanopartikelmaterial nach dem Abtrennen von der Reaktionsmischung gewaschen wird.
  • Die Struktur des Nanopartikelmaterials lässt sich durch den Einsatz der unterschiedlichen Tenside und durch Variation deren Konzentration über einen weiten Bereich steuern. Vorteilhafterweise weist das Nanopartikelmaterial Nanopartikel auf, deren mittlerer Durchmesser D50 im Bereich von 1 bis 100 nm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 nm, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 30 nm liegt, d.h. 50% der Partikel liegen in dem angegebenen Bereich. Weiter bevorzugt ist der mittlere Durchmesser D100 der Nanopartikel im Bereich von 1 bis 100 nm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 nm, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 30 nm liegt, d.h. 100% der Partikel liegen in dem angegebenen Bereich. Höchst bevorzugt ist der mittlere Durchmesser D100 der Nanopartikel kleiner gleich 15 nm, d.h. 100% der Partikel sind kleiner oder gleich 15 nm.
  • Bevorzugt sind die Nanopartikel in dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial miteinander in elektrischem Kontakt, indem die Nanopartikel als Aggregat oder als Agglomerat vorliegen. Der elektrische Kontakt zwischen den Nanopartikeln ist insbesondere bei elektrochemischen Reaktionen vorteilhaft, da im Falle einer Oxidationsreaktion freigesetzte Elektronen gut zu einer Elektrode abgeleitet werden können beziehungsweise im Fall einer Reduktionsreaktion die Elektronen sehr einfach an den Reaktionsort auf der Oberfläche des Nanopartikelmaterials geleitet werden können.
  • Das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial umfasst bevorzugt ferner einen Träger, auf welchem die Nanopartikel geträgert sind. Je nach Einsatzzweck sind unterschiedlichste Trägermaterialien geeignet. Bevorzugte Träger sind solche, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus polymeren Materialien, elektrisch leitfähigen Materialien und auf Metalloxiden basierenden Materialien.
  • Ein Beispiel für elektrisch leitfähige Trägermaterialien sind kohlenstoffbasierte Materialien, wie Ruß, Graphit, elektrisch leitfähige Polymere, Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Vorzugsweise stehen die Nanopartikel in elektrischem Kontakt mit dem, bevorzugt elektrisch leitfähigem, Trägermaterial.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung stellen die polymeren Trägermaterialien eine Membran dar. Die Membran ist insbesondere eine protonenleitfähige Membran, z.B. auf Basis eines Ionomers, wie zum Beispiel perfluorierte Copolymere, die als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthalten, beispielsweise Nafion. Ebenfalls kann die Membran eine anionenleitfähige Membran sein. Ebenfalls kann die Membran eine bipolare Membran sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial ist der Träger vorzugsweise ein auf Metalloxiden basierenden Materialien, insbesondere aus einem Material, umfassend zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cer, Zirkonium, Aluminium, Silizium, Ytterbium. Bevorzugt ist dieser Träger ein keramisches Material.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle um eine Direktethanolbrennstoffzelle. Die Vorteile von Ethanol als Brennstoff im Vergleich zu anderen Brennstoffen sind oben geschildert. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle weist als Oxidationskatalysator das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial auf. Das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial ist gegenüber herkömmlichen Katalysatormaterialien, wie zum Beispiel Palladium auf Graphit, deutlich langlebiger und selektiver, d.h. pro Ethanol-Molekül werden mehr Elektronen freigesetzt als dies mit herkömmlichen Katalysatormaterialien auf Basis von Palladium auf Kohlenstoff möglich ist.
  • Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist prinzipiell für die mobilen als auch für den stationären Einsatz geeignet. Der Einsatz in stationären Anwendungen ist bevorzugt. Daher betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Gebäude, das eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Energieerzeugung aufweist, d.h. die Brennstoffzelle ist an ein elektrisches Netz des Gebäudes angeschlossen.
  • Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Abgasbehandlungssystem, umfassend ein erfindungsgemäßes Nanopartikelmaterial sowie ein basisches Material. Das erfindungsgemäße Abgasbehandlungssystem wirkt als sogenannte NOx Falle, d.h. die NOx, insbesondere aus einem kalten Abgasstrom werden durch die NOx Falle adsorbiert. Vorzugsweise bilden das Nanopartikelmaterial sowie das basische Material die NOx Falle. Bei dem basischen Material handelt es sich vorzugsweise um ein Oxid-Material oder ein Carbonat-Material, insbesondere Ceroxid, Zirconiumoxid, Bariumoxid und/oder Bariumcarbonat.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Abgasbehandlungssystem im Abgasstrom stromabwärts eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, angeordnet. Der der Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor, ist dazu ausgelegt, abwechselnd im Magerbetrieb und Fettbetrieb zu arbeiten. Die Begriffe Magerbetrieb und Fettbetrieb sind dem Fachmann bekannt und Bezeichnen Betriebszustände, bei welchem im Verhältnis zum eingesetzten Kraftstoff Sauerstoff überstöchiometrisch (Magerbetrieb) oder unterstöchiometrisch (Fettbetrieb) zugesetzt wird.
  • Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Abgasbehandlungssystem stromaufwärts eines SCR-Katalysators angeordnet. Das gespeicherte NOx kann zum Beispiel durch Betreiben des Verbrennungsmotors im Fettbetrieb aus der NOx Falle freigesetzt werden und durch einen nachgeschalteten SCR-Katalysator zu Stickstoff reduziert werden.
  • Vorzugsweise ist das Abgasbehandlungssystem dazu ausgelegt, dass stromaufwärts des Nanopartikelmaterials eine Wasserstoffeinspeisung oder eine Wasserstofferzeugung erfolgt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Abgasbehandlungssystems ist stromaufwärts des Nanopartikelmaterials ein Diesel Oxidationskatalysator angeordnet, wobei das Abgasbehandlungssystem insbesondere dazu ausgelegt ist, dass Diesel in Pulsen über den Diesel Oxidationskatalysator geleitet wird.
  • Das erfindungsgemäße Abgasbehandlungssystem kann in stationären oder in mobilen Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere der Einsatz in mobilen Anwendungen ist bevorzugt. Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Abgassystem.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Membranreaktor, der das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial und eine Membran umfasst.
  • Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Membranreaktor das Nanopartikelmaterial auf der Membran geträgert, vorzugsweise ist das Nanopartikelmaterial auf Kohlenstoff geträgert und das auf Kohlenstoff geträgerte Nanopartikelmaterial ist auf der Membran geträgert. Beispielsweise ist der Kohlenstoff Ruß, z.B. Vulcan XC72R. Bei der Membran handelt es sich bevorzugt um eine Polymermembran oder um eine Keramikmembran. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Membranreaktors ist die Membran protonenleitend, z.B. auf Basis eines Ionomers, wie zum Beispiel perfluorierte Copolymere, die als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthalten, beispielsweise Nafion.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Membranreaktor um einen elektrochemischen Membranreaktor, insbesondere um einen Membranreaktor, der dazu ausgelegt ist, eine Elektrolyse durchzuführen. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Membranreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere durch Elektrolyse, ausgelegt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials als Katalysator. Bei der katalysierten Reaktion kann es sich um eine elektrochemische Oxidation von Ethanol handeln. Auch kann die katalysierte Reaktion in einem elektrochemischen Membranreaktor ablaufen und beispielsweise Wasserstoff, insbesondere durch Elektrolyse erzeugen. Das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial kann in Dispersion, d.h. ohne Träger, zur homogenen Katalyse organisch chemischer Reaktionen eingesetzt werden. Ebenso ist die Verwendung in geträgerter Form, wie hierin beschrieben, in heterogen katalysierten organisch chemischen Reaktionen möglich. Bei den genannten organisch chemischen Reaktionen handelt es sich zum Beispiel um Kreuzkupplungsreaktionen, wie der Suzuki-Kupplung, oder um Carbonylierungsreaktionen, zum Beispiel an heterozyklischen Gerüsten.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Beispiele beschrieben. Es zeigen:
    • 1 eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials.
    • 2 eine Tunnelelektronenmikroskop-Aufnahme des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials aus 1.
    • 3 eine beobachtete Stromdichte bei der elektrochemischen Oxidation von Ethanol durch das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial aus 1 und durch ein herkömmliches Pd-basiertes Katalysatormaterial.
    • 4 Cyclovoltammogramme des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials aus 1 und des herkömmlichen Pd-basierten Katalysatormaterials aus 3.
  • Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Nanopartikelmaterial wurde wie folgt hergestellt. In einem ersten Schritt wurde eine wässrige Lösung von K2PdCl4 und NiCl2·6H2O hergestellt, mit einem molaren Verhältnis von Palladium zu Nickel von 1:1. Zu dieser wässrigen Lösung wurde ein in Wasser gelöstes kationisches Tensid zugegeben, sodass die Tensid-Konzentration in der Lösung im Bereich von 0.02 bis 0.8 mol/Liter liegt. Das Verhältnis von kationischem Tensid zur Summe von gelöstem Palladium und gelöstem Nickel lag im Bereich von 2:1 bis 6:1. Anschließend wurde die Mischung für einige Minuten mit Ultraschall behandelt, um eine intensive Durchmischung zu bewirken. Nach Abschluss der Ultraschallbehandlung wurde eine Lösung von Natriumborhydrid zugegeben, wobei die molare Menge an Natriumborhydrid das 5 bis 20-fache der Summe der molaren Mengen von gelöstem Palladium und gelöstem Nickel betrug. Nach Zugabe des Natriumborhydrids wurde die Reaktionstemperatur für etwa 18 Stunden auf 50 bis 70 °C erhöht. Hierdurch wurde ein Feststoff erhalten, der durch Zentrifugation abgetrennt wurde. Nach mehrmaligem waschen mit Ethanol, 0,1 M Salzsäure und Wasser wurde das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial erhalten.
  • In 1 ist eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die in dem Nanopartikelmaterial enthaltenen Nanopartikel ein Agglomerat bilden und miteinander im elektrischen Kontakt stehen. Die Ansicht im rechten Teil von 1 ist eine weiter vergrößerte Ansicht des im linken Teil gezeigten beispielhaften Nanopartikelmaterials.
  • Zur Bestimmung der Partikelgrößen und zur weiteren Analyse des Nanopartikelmaterials wurden Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen angefertigt. Eine solche Aufnahme ist in 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Nanopartikel in dem Nanopartikelmaterial ein Netzwerk ausbilden, sodass eine Agglomeration der Nanopartikel vorliegt, die jedoch Poren aufweist, in welche beispielsweise ein Reaktant, eindringen kann. Die Struktur des beispielhaften Nanopartikelmaterials weist eine sehr hohe Oberfläche auf, die für Reaktanten zugänglich ist. Eine Analyse der Partikelgrößen zeigt, dass die Durchmesser aller beobachtbaren Partikel im Bereich von 3,2 bis 10 nm liegen, wobei der mittlere Partikeldurchmesser D50 7,2 nm beträgt.
  • Für die weitere Untersuchung des Nanopartikelmaterials wurde dieses mit einem Vergleichsbeispiel verglichen. Bei dem Vergleichsbeispiel handelt es sich um Palladium auf Kohlenstoff, erhältlich von Alfa Aesar (Produkt-Nummer: A12012, Palladium, 10% auf Kohlenstoff, Type 487, trocken, Chargennummer: 10215621).
  • Zur Untersuchung der katalytischen Aktivität wurde in einem Vorversuch das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial in einem Becherglas in einer wässrigen Lösung dispergiert, die 1 M KOH und 1M Ethanol enthielt. In der Dispersion konnte die Bildung von Gasblasen beobachtet werden, was auf eine vollständige Oxidation von Ethanol zu Kohlenstoffdioxid hinweist. Im Gegensatz dazu konnte bei einer Dispersion des Vergleichsbeispiels keine Gasentwicklung beobachtet werden.
  • Das erfindungsgemäße Katalysatormaterial wurde auf Kohlenstoff geträgert und in einer Direktethanolbrennstoffzelle als Oxidationskatalysator eingesetzt. Ein vergleichbarer Aufbau wurde mit dem oben genannten Vergleichsbeispiel Palladium auf Kohlenstoff, erhältlich von Alfa Aesar, als Katalysatormaterial durchgeführt. Die beobachtbare Stromdichte ist in 3 gegen die Zeit aufgetragen, wobei die Stromdichte auf die Masse des eingesetzten Palladiums normiert ist. Mit dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial lässt sich eine im Vergleich zum Vergleichsbeispiel um 25% höhere Stromdichte beobachten. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials war die beobachtbare Stromdichte über einen langen Zeitraum konstant, wohingegen die Stromdichte bei Verwendung des Vergleichsbeispiels als Oxidationskatalysator langsam abnimmt. Die konstante höhere Stromdichte deutet darauf hin, dass bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Katalysators die Oxidation des Ethanols vollständiger abläuft und dass weniger Katalysatorgifte, wie Acetaldehyd oder Essigsäure bzw. Acetat im alkalischen Milieu, gebildet werden. Diese Folgerung ist auch dadurch gestützt, dass bei Einsatz des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials pro Ethanol-Molekül 7 bis 8 Elektronen freigesetzt wurden, wohingegen bei Verwendung des Vergleichskatalysators lediglich 5 bis 6 Elektronen pro Molekül Ethanol freigesetzt werden konnten.
  • Die in der Brennstoffzelle beobachtete um etwa 25% höhere Stromdichte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterials bestätigt sich im Vergleich zu dem Material des Vergleichsbeispiels auch in den Cyclovoltammogrammen, die in 4 gezeigt sind. In 4 ist auf der Ordinate die beobachtete Stromdichte normiert auf die eingesetzte Menge Palladium dargestellt. Die Abszisse zeigt die Spannung gegenüber einer Wasserstoffstandardelektrode. Für die Aufnahme der Cyclovoltammogramme wurde das Katalysatormaterial, d.h. das oben beschriebene erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial und das Vergleichsbeispiel, auf eine Elektrode aufgetragen, die in eine wässrige Lösung eingetaucht wurde, die 1 M KOH und 1M Ethanol enthielt. Beide Katalysatoren zeigen bei einer Spannung von etwa 0,8 V gegenüber der Wasserstoffstandardelektrode einen Peak, der durch die Oxidation des Ethanols hervorgerufen wird. Dieser Peak ist bei dem beispielhaften erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial deutlich ausgeprägter, als bei dem Vergleichsbeispiel, was in Übereinstimmung ist mit der in der Brennstoffzelle beobachteten höheren Stromdichte, wie in 3 gezeigt. Bei einer Spannung von etwa 1,3 V zeigt das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial einen weiteren Anstieg der beobachteten Stromdichte, der charakteristisch ist für Legierungen aus Palladium und Nickel. Bei der Verringerung der Spannung zeigt sich ein Peak bei etwa 0,4 V für das erfindungsgemäße Nanopartikelmaterial und bei etwa 0,5 V für das Vergleichsbeispiel. Dieser Peak wird durch eine Regeneration des Katalysators verursacht und ist bei dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial deutlich ausgeprägter, als bei dem Vergleichsbeispiel. Dies weist darauf hin, dass bei dem erfindungsgemäßen Nanopartikelmaterial eine im Vergleich zum Vergleichsbeispiel verringerte irreversible Vergiftung stattfindet.
  • Nachfolgend ist die vorliegende Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen beschrieben, die die Erfindung jedoch nicht beschränken.
    1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials, umfassend die folgenden Schritte:
      • Schritt 1): Lösen eines oder mehrerer Metallsalze(s) in einem Lösungsmittel,
      • Schritt 2): Versetzen der in Schritt 1) erhaltenen Lösung von einem oder mehreren Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en), um eine Mischung von einem oder mehreren gelösten Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en) zu erhalten,
      • Schritt 3): Durchmischen der in Schritt 2) erhaltenen Mischung,
      • Schritt 4): Zugabe eines Reduktionsmittels, wobei die Zugabe des Reduktionsmittels vor, während oder nach Schritt 3) erfolgen kann, und
      • Schritt 5): Bilden des Nanopartikelmaterials durch Reduktion des einen oder der mehreren gelösten Metallsalze(s) durch das Reduktionsmittel.
    2. 2. Verfahren nach Ausführungsform 1, wobei das eine oder die mehreren Metallsalze ein Ion eines Übergangsgruppenmetalls aufweist.
    3. 3. Verfahren nach Ausführungsform 1 oder 2, wobei die Konzentration des Tensids in Schritt 2) so gewählt ist, dass diese oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration liegt.
    4. 4. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Tensid ein ionisches oder ein nichtionisches Tensid ist, bevorzugt ein ionisches Tensid, noch bevorzugter ein kationisches Tensid.
    5. 5. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Durchmischen in Schritt 3) durch Ultraschallbehandlung und/oder durch Behandlung mit einem Vortex-Mischer erfolgt, insbesondere durch Ultraschallbehandlung.
    6. 6. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Durchmischen in Schritt 3) für einen Zeitraum von mindestens 10 Sekunden, bevorzugt mindestens 30 Sekunden, noch bevorzugter von mindestens 60 Sekunden erfolgt.
    7. 7. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Reduktionsmittel ein Hydrid-Material ist, insbesondere Natriumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid und/oder Natriumhydrid.
    8. 8. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei nach Schritt 4) die Temperatur erhöht wird, sodass die Reduktion in Schritt 5) oberhalb der Raumtemperatur erfolgt, bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 100 °C, noch bevorzugter in einem Bereich von 45 bis 75 °C.
    9. 9. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei die Reaktionsdauer der Reduktion in Schritt 5) im Bereich von 1 Stunde bis 72 Stunden liegt, bevorzugt im Bereich von 2 Stunden bis 48 Stunden, noch bevorzugter im Bereich von 5 Stunden bis 36 Stunden.
    10. 10. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Nanopartikelmaterial in Schritt 5) als Feststoff ausfällt.
    11. 11. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das in Schritt 5) erhaltene Nanopartikelmaterial durch Zentrifugation oder Filtration, bevorzugt durch Zentrifugation, abgetrennt wird.
    12. 12. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Nanopartikelmaterial nach dem Abtrennen gewaschen wird.
    13. 13. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Waschen mit
      1. A) einem protischen Lösungsmittel, z.B. Wasser oder ein Alkohol, erfolgt, gefolgt von
      2. B) einem Waschen mit einer sauren Lösung, vorzugsweise einer wässirgen Halogenwasserstoffsäure, bevorzugt mit einer Konzentration im Bereich von 0.1 M bis 1 M, noch bevorzugter im Bereich von 0.1 bis 0.5 M, gefolgt von
      3. C) einem Waschen mit einem neutralen protischen Lösungsmittel, z.B. Wasser oder ein Alkohol, optional gefolgt von
      4. D) einem Waschen mit einem organischen Lösungsmittel, z.B. einem Alkohol.
    14. 14. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Nanopartikelmaterial Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser D50 im Bereich von 1 bis 100 nm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 nm, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 30 nm, aufweist.
    15. 15. Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei in Schritt 1) Salze von zumindest zwei verschiedenen Metallen gelöst werden.
    16. 16. Verfahren nach Ausführungsform 14, wobei vorzugsweise ein Salz K2PdCl4 ist und ein weiteres Salz NiCl2·6H2O ist.
    17. 17. Verfahren nach Ausführungsform 14 oder 15, wobei das molare Verhältnis der zwei verschiedenen Metalle im Bereich von 1:4 bis 4:1 liegt.
    18. 18. Nanopartikelmaterial erhältlich durch das Verfahren nach zumindest einer der vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 17.
    19. 19. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 18, wobei das Nanopartikelmaterial Nanopartikel umfasst, deren mittlerer Partikeldurchmesser D50 kleiner gleich 100 nm, bevorzugt kleiner gleich 50 nm, ist.
    20. 20. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 18 oder 19, wobei die Nanopartikel miteinander in elektrischem Kontakt stehen.
    21. 21. Nanopartikelmaterial nach zumindest einer der Ausführungsformen 18 bis 20, wobei das Nanopartikelmaterial ferner einen Träger umfasst, auf welchem die Nanopartikel geträgert sind, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polymeren Materialien, elektrisch leitfähigen Materialien und auf Metalloxiden basierenden Materialien und Kombinationen davon.
    22. 22. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 21, wobei das elektrisch leitfähige Trägermaterial ein kohlenstoffbasiertes Material ist.
    23. 23. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 21 oder 22, wobei die Nanopartikel in elektrischem Kontakt mit dem bevorzugt elektrisch leitfähigem Trägermaterial stehen.
    24. 24. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 21, wobei der Träger ein polymeres Material ist, insbesondere in Form einer Membran.
    25. 25. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 24, wobei die Membran eine ionenleitfähige Membran ist.
    26. 26. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 25, wobei die Membran eine protonenleitfähige Membran ist.
    27. 27. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 25, wobei die Membran eine anionenleitfähige Membran ist.
    28. 28. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 24, wobei die Membran eine bipolare Membran ist.
    29. 29. Nanopartikelmaterial nach Ausführungsform 21, wobei der Träger ein auf Metalloxiden basierendes Materialien ist, das ein keramisches Material ist, insbesondere ein Material, umfassend zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cer, Zirkonium, Aluminium, Silizium und Ytterbium.
    30. 30. Membranelektrodeneinheit, umfassend eine Membran und eine Elektrode, wobei die Elektrode in elektrischem Kontakt mit einem Nanopartikelmaterial gemäß einer der Ausführungsformen 18 bis 29 steht.
    31. 31. Brennstoffzelle, umfassend eine Membranelektrodeneinheit gemäß Ausführungsform 30.
    32. 32. Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 31, wobei die Brennstoffzelle eine Direktalkoholbrennstoffzelle ist, vorzugsweise eine Direktethanolbrennstoffzelle.
    33. 33. Brennstoffzelle gemäß Ausführungsform 31 oder 32, wobei die Brennstoffzelle für die stationäre Energieerzeugung ausgelegt ist.
    34. 34. Abgasbehandlungssystem, umfassend ein Nanopartikelmaterial gemäß einem der Ausführungsformen 18 bis 29 sowie ein basisches Material.
    35. 35. Abgasbehandlungssystem nach Ausführungsform 34, wobei das Nanopartikelmaterial sowie das basische Material einen NOx Adsorber bilden.
    36. 36. Abgasbehandlungssystem nach Ausführungsform 34 oder 35, wobei das Abgasbehandlungssystem stromabwärts eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffverbrennungsmotors oder eines Dieselmotors, angeordnet ist.
    37. 37. Abgasbehandlungssystem nach Ausführungsform 36, wobei der Verbrennungsmotor abwechselnd im Magerbetrieb und Fettbetrieb arbeitet.
    38. 38. Abgasbehandlungssystem nach zumindest einer der Ausführungsformen 34 bis 37, wobei das Abgasnachbehandlungssystem stromaufwärts eines SCR-Katalysators angeordnet ist.
    39. 39. Abgasbehandlungssystem nach zumindest einer der Ausführungsformen 34 bis 38, wobei das basische Material ein Oxid-Material oder ein Carbonat-Material, insbesondere Ceroxid, Zirconiumoxid, Bariumoxid und/oder Bariumcarbonat ist.
    40. 40. Abgasbehandlungssystem nach zumindest einer der Ausführungsformen 34 bis 39, wobei das Abgasbehandlungssystem dazu ausgelegt ist, dass stromaufwärts des Nanopartikelmaterials eine Wasserstoffeinspeisung oder eine Wasserstofferzeugung erfolgt.
    41. 41. Abgasbehandlungssystem nach zumindest einer der Ausführungsformen 34 bis 40, wobei stromaufwärts des Nanopartikelmaterials ein Diesel Oxidationskatalysator angeordnet ist.
    42. 42. Abgasbehandlungssystem nach Ausführungsform 41, wobei das Abgasbehandlungssystem dazu ausgelegt ist, dass Diesel in Pulsen über den Diesel Oxidationskatalysator geleitet wird.
    43. 43. Membranreaktor, umfassend ein Nanopartikelmaterial gemäß einer der Ausführungsformen 18 bis 29 und eine Membran, vorzugsweise mit einer Membranelektrodeneinheit gemäß Ausführungsform 30.
    44. 44. Membranreaktor nach Ausführungsform 43, wobei das Nanopartikelmaterial auf der Membran geträgert ist, vorzugsweise ist das Nanopartikelmaterial auf Kohlenstoff geträgert und das auf Kohlenstoff geträgerte Nanopartikelmaterial ist auf der Membran geträgert.
    45. 45. Membranreaktor nach Ausführungsform 43 oder 44, wobei die Membran eine Polymermembran oder eine Keramikmembran ist.
    46. 46. Membranreaktor nach zumindest einer der Ausführungsformen 43 bis 45, wobei die Membran ionenleitfähig ist, vorzugsweise protonenleitfähig ist.
    47. 47. Membranreaktor nach zumindest einer der Ausführungsformen 43 bis 46, wobei der Membranreaktor ein elektrochemischer Membranreaktor ist.
    48. 48. Membranreaktor nach zumindest einer der Ausführungsformen 43 bis 47, wobei der Membranreaktor dazu ausgelegt ist, darin Elektrolyse durchzuführen.
    49. 49. Membranreaktor nach zumindest einer der Ausführungsformen 43 bis 48, wobei der Membranreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere durch Elektrolyse, ausgelegt ist oder wobei der Membranreaktor zur Katalyse einer organisch chemischen Reaktion ausgelegt ist.
    50. 50. Verwendung des Nanopartikelmaterials gemäß einer der Ausführungsformen 18 bis 29 als Katalysator zur Oxidation von Ethanol, zur Wasserstofferzeugung oder in einer organisch chemischen Reaktion.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102018111275 A1 [0010]

Claims (27)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Nanopartikelmaterials, umfassend die folgenden Schritte: Schritt 1): Lösen eines oder mehrerer Metallsalze(s) in einem Lösungsmittel, Schritt 2): Versetzen der in Schritt 1) erhaltenen Lösung von einem oder mehreren Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en), um eine Mischung von einem oder mehreren gelösten Metallsalz(en) mit einem oder mehreren Tensid(en) zu erhalten, Schritt 3): Durchmischen der in Schritt 2) erhaltenen Mischung, Schritt 4): Zugabe eines Reduktionsmittels, wobei die Zugabe des Reduktionsmittels vor, während oder nach Schritt 3) erfolgen kann, und Schritt 5): Bilden des Nanopartikelmaterials durch Reduktion des einen oder der mehreren gelösten Metallsalze(s) durch das Reduktionsmittel.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren Metallsalze ein Ion eines Übergangsgruppenmetalls aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konzentration des Tensids in Schritt 2) so gewählt ist, dass diese oberhalb der kritischen Mizellbildungskonzentration liegt.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Durchmischen in Schritt 3) durch Ultraschallbehandlung und/oder durch Behandlung mit einem Vortex-Mischer erfolgt, insbesondere durch Ultraschallbehandlung und/oder wobei das Durchmischen in Schritt 3) für einen Zeitraum von mindestens 10 Sekunden, bevorzugt mindestens 30 Sekunden, noch bevorzugter von mindestens 60 Sekunden erfolgt.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Reduktionsmittel ein Hydrid-Material ist, insbesondere Natriumborhydrid, Lithiumaluminiumhydrid und/oder Natriumhydrid und/oder wobei nach Schritt 4) die Temperatur erhöht wird, sodass die Reduktion in Schritt 5) oberhalb der Raumtemperatur erfolgt, bevorzugt in einem Bereich von 30 bis 100 °C, noch bevorzugter in einem Bereich von 45 bis 75 °C und/oder wobei die Reaktionsdauer der Reduktion in Schritt 5) im Bereich von 1 Stunde bis 72 Stunden liegt, bevorzugt im Bereich von 2 Stunden bis 48 Stunden, noch bevorzugter im Bereich von 5 Stunden bis 36 Stunden.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das in Schritt 5) erhaltene Nanopartikelmaterial durch Zentrifugation oder Filtration, bevorzugt durch Zentrifugation, abgetrennt wird.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Nanopartikelmaterial nach dem Abtrennen gewaschen wird, vorzugsweise erfolgt das Waschen mit A) einem protischen Lösungsmittel, z.B. Wasser oder ein Alkohol, erfolgt, gefolgt von B) einem Waschen mit einer sauren Lösung, vorzugsweise einer wässirgen Halogenwasserstoffsäure, bevorzugt mit einer Konzentration im Bereich von 0.1 M bis 1 M, noch bevorzugter im Bereich von 0.1 bis 0.5 M, gefolgt von C) einem Waschen mit einem neutralen protischen Lösungsmittel, z.B. Wasser oder ein Alkohol, optional gefolgt von D) einem Waschen mit einem organischen Lösungsmittel, z.B. einem Alkohol.
  8. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Nanopartikelmaterial Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser D50 im Bereich von 1 bis 100 nm, bevorzugt im Bereich von 1 bis 50 nm, noch bevorzugter im Bereich von 1 bis 30 nm, aufweist.
  9. Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt 1) Salze von zumindest zwei verschiedenen Metallen gelöst werden, wobei ein Salz vorzugsweise K2PdCl4 ist und ein weiteres Salz vorzugsweise NiCl2·6H2O ist, wobei das molare Verhältnis der zwei verschiedenen Metalle bevorzugt im Bereich von 1:4 bis 4:1 liegt.
  10. Nanopartikelmaterial erhältlich durch das Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9.
  11. Nanopartikelmaterial nach Anspruch 10, wobei die Nanopartikel miteinander in elektrischem Kontakt stehen.
  12. Nanopartikelmaterial nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Nanopartikelmaterial ferner einen Träger umfasst, auf welchem die Nanopartikel geträgert sind, wobei der Träger ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus polymeren Materialien, vorzugsweise in Form einer Membran, elektrisch leitfähigen Materialien, vorzugsweise ist das elektrisch leitfähige Material ein kohlenstoffbasiertes Material, und auf Metalloxiden basierenden Materialien, vorzugsweise sind die auf Metalloxiden basierenden Mateiralien keramische Materialien, insbesondere solche, umfassend zumindest ein Element ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cer, Zirkonium, Aluminium, Silizium und Ytterbium, sowie Kombinationen der genannten Träger, wobei die Nanopartikel vorzugsweise in elektrischem Kontakt mit dem bevorzugt elektrisch leitfähigem Trägermaterial stehen.
  13. Nanopartikelmaterial nach Anspruch 12, wobei die Membran eine ionenleitfähige Membran ist, vorzugsweise eine protonenleitfähige Membran oder eine anionenleitfähige Membran.
  14. Nanopartikelmaterial nach Anspruch 12, wobei die Membran eine bipolare Membran ist.
  15. Membranelektrodeneinheit, umfassend eine Membran und eine Elektrode, wobei die Elektrode in elektrischem Kontakt mit einem Nanopartikelmaterial gemäß einem der Ansprüche 19 bis 14 steht.
  16. Brennstoffzelle, umfassend eine Membranelektrodeneinheit gemäß Anspruch 15.
  17. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 16, wobei die Brennstoffzelle eine Direktalkoholbrennstoffzelle, vorzugsweise eine Direktethanolbrennstoffzelle ist.
  18. Brennstoffzelle gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Brennstoffzelle für die stationäre Energieerzeugung ausgelegt ist.
  19. Abgasbehandlungssystem, umfassend ein Nanopartikelmaterial gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14 sowie ein basisches Material, wobei das Nanopartikelmaterial sowie das basische Material einen NOx Adsorber bilden.
  20. Abgasbehandlungssystem nach Anspruch 19, wobei das Abgasbehandlungssystem stromabwärts eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Wasserstoffverbrennungsmotors oder eines Dieselmotors, angeordnet ist.
  21. Membranreaktor, umfassend ein Nanopartikelmaterial gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14 und eine Membran, vorzugsweise umfasst der Membranreaktor eine Membranelektrodeneinheit gemäß Anspruch 15.
  22. Membranreaktor nach Anspruch 21, wobei das Nanopartikelmaterial auf der Membran geträgert ist, vorzugsweise ist das Nanopartikelmaterial auf Kohlenstoff geträgert und das auf Kohlenstoff geträgerte Nanopartikelmaterial ist auf der Membran geträgert.
  23. Membranreaktor nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Membran eine Polymermembran oder eine Keramikmembran ist.
  24. Membranreaktor nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Membran ionenleitfähig, insbesondere protonenleitfähig ist.
  25. Membranreaktor nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei der Membranreaktor ein elektrochemischer Membranreaktor ist.
  26. Membranreaktor nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei der Membranreaktor dazu ausgelegt ist, darin Elektrolyse durchzuführen.
  27. Membranreaktor nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Membranreaktor zur Erzeugung von Wasserstoff, insbesondere durch Elektrolyse, ausgelegt ist oder wobei der Membranreaktor zur Katalyse einer organisch chemischen Reaktion ausgelegt ist.
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