DE10342200A1 - Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung eines Beschichtungsmaterials auf einem zu beschichtenden, kathodisch kontaktierten Substrat (10), welches in einen das Beschichtungsmaterial enthaltenden Elektrolyten (22) getaucht ist, wobei eine elektrische Spannung zwischen eine Anode (14) und eine Kathode (12) gelegt ist. Das Substrat (10) ist beabstandet zur Kathode (12) zwischen der Kathode (12) und der Anode (14) angeordnet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Es ist bekannt, zur Abscheidung eines Beschichtungsmaterials auf der Oberfläche eines Werkstücks dieses in einen Elektrolyten zu tauchen, mit einem Klemmkontakt elektrisch zu kontaktieren und eine elektrische Spannung zwischen dem Werkstück und einer Anode anzulegen. Das Werkstück ist dabei als Kathode geschaltet. Der Elektrolyt ist üblicherweise eine Metallsalzlösung, in der sich die Anode befindet. An der kathodischen Oberfläche des Werkstücks findet eine Reduktion des Metalls aus der Lösung statt, und das Metall schlägt sich auf der Oberfläche des Werkstücks nieder. Aus der Offenlegungsschrift DE 100 52 188 A1 ist beispielsweise eine elektrochemische Abscheidung von Platin auf ein flächiges Material bekannt, bei dem Platinionen durch ein ionenleitendes Polymer hindurch wandern und sich an einer Grenzfläche des Polymers zu einem elektrisch leitfähigen Körper niederschlagen. Bei komplexer geformten Werkstücken tritt allerdings das Problem auf, dass durch Inhomogenitäten des elektrischen Feldes zwischen der Anode und der Kathode, durch Abschirmeffekte und Kanteneffekte eine homogene Beschichtung sehr schwierig ist. Wird ein solches als Hohlkörper ausgebildetes Werkstück in üblicher Weise an der Oberfläche kontaktiert, führt dies zu Spitzenladungseffekten, d.h. die Elektronen befinden sich hauptsächlich an der Gehäuseoberfläche und dringen kaum tiefer in das Werkstück ein. Im Innern des Werkstücks befindet sich kaum ein Elektronenüberschuss, so dass dort eine Reduktion des Metalls und damit eine Abscheidung sehr langsam und inhomogen abläuft.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung anzugeben, mit der komplexer geformte Werkstücke leichter zu beschichten sind und Spitzenladungseffekte leichter zu vermeiden sind.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Erfindungsgemäß ist das Substrat beabstandet zur Kathode zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Dies ermöglicht eine Trennung des Spannungsabfalls von der Anode zum Substrat und von der Kathode zum Substrat. Zweckmäßigerweise ist der Spannungsabfall zwischen Kathode und Substrat niedriger als zwischen Anode und Substrat, vorzugsweise liegt das Substrat praktisch auf demselben elektrischen Potential wie die Kathode. Das Substrat kann indirekt somit elektrisch kontaktiert werden, was zu einer homogeneren Feldverteilung des elektrischen Feldes zwischen Anode und Kathode führt. Ein Einfluss der Form des Substrats auf die Beschichtung wird vermindert.
• Ist zwischen dem Substrat und der Kathode ein flüssiger elektrischer Leiter angeordnet, wird das Substrat gleichmäßig elektrisch kontaktiert. Auch schwer zugängliche Bereiche des Substrats, wie Ecken und Taschen, sind elektrisch gut angebunden. Es sind dort ausreichend Ladungsträger zur Reduktion von Kationen vorhanden.
• Ist der flüssige elektrische Leiter getrennt vom Elektrolyten, kann eine Leitfähigkeit des Leiters unabhängig vom Elektrolyten eingestellt werden, insbesondere höher gewählt werden.
• Ist die Kathode in direktem elektrischen Kontakt mit dem flüssigen elektrischen Leiter, kann das Substrat auf demselben elektrischen Potential liegen wie die Kathode. Der flüssige elektrische Leiter kontaktiert das Substrat elektrisch an jeder Stelle, die er benetzt. Die Form des Substrats kann daher beliebig sein. Eine entsprechend kontaktierte Außenfläche eines Hohlkörpers bildet dann z.B. eine Isopotentialfläche.
• Bevorzugt ist der flüssige elektrische Leiter im wesentlichen frei von Beschichtungsmaterial. Die Zusammensetzung des flüssigen elektrischen Leiters kann frei gewählt werden und dessen elektrische Leitfähigkeit bedarfsabhängig eingestellt werden. Damit wird weniger Elektrolyt benötigt. Bei einer Edelmetallabscheidung lassen sich damit Kosten sparen. Günstigerweise bildet der flüssige elektrische Leiter mit der Kathode eine Elektrode 1. Klasse oder 2. Klasse. Bei einer Elektrode 1. Klasse wird das elektrische Potential durch das elektrochemische Gleichgewicht zwischen dem Elektrodenmetall und seinen Ionen in der Lösung bestimmt. Die Aktivität der Metallkationen in der Lösung ist Potential bestimmend. Als Elektroden 2. Klasse bezeichnet man ein Metall, das mit einer Schicht eines schwerlöslichen Salzes dieses Metalls bedeckt ist und in die Lösung eines gut löslichen Salzes eintaucht, das mit dem schwerlöslichen Salz ein gemeinsames Anion besitzt. Das Elektrodenpotential wird durch die Aktivität der Anionen des lösliche Salzes festgelegt.
• Ist das Substrat ein Hohlkörper, der in einem Innenraum mit dem flüssigen elektrischen Leiter gefüllt ist und mit einer Außenfläche mit dem Elektrolyten in Kontakt ist, kann die Außenfläche homogen mit dem im Elektrolyten enthaltenen Beschichtungsmaterial beschichtet werden. Auch eine von der Anode abgewandte, in den Elektrolyten eingetauchte Rückseite der Außenfläche kann beschichtet werden.
• Ist das Substrat ein Hohlkörper, der in einem Innenraum mit dem Elektrolyten gefüllt und mit einer Außenfläche mit dem flüssigen elektrischen Leiter in Kontakt ist, kann eine Innenbeschichtung des Substrats vorgenommen werden.
• Bevorzugt ist eine Verwendung der Vorrichtung zur katalytischen Beschichtung eines Plattenwärmetauschers. Plattenwärmetauscher, insbesondere solche für Brennstoffzellensysteme, sind mit üblichen Mitteln schwer nach dem Zusammenfügen der Platten zu einem den Wärmetauscher bildenden Plattenstapel zu beschichten. Eine elektrische Kontaktierung nur an der Gehäuseoberfläche führt zu den bekannten Spitzenladungseffekten. Dies wird mit der Kontaktierung über den flüssigen elektrischen Leiter vermieden. Weiterhin bevorzugt ist eine Verwendung der Vorrichtung zur katalytischen Beschichtung eines katalytischen Brenners. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Beschichtung nach dem Fügen. Eine unerwünschte Deaktivierung von Katalysatoren beim Fügen oder eine Beschädigung der katalytischen Beschichtung beim Verschweißen oder Verlöten und ein möglicherweise gesundheitsschädlicher Umgang mit offenen katalysatorbeschichteten Oberflächen wird weitgehend vermieden.
• Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine Anordnung zur Beschichtung einer Außenfläche eines Hohlkörpers, und
• 2 eine Anordnung zur Beschichtung einer Innenfläche eines Hohlkörpers.
• Wo immer möglich, werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet.
• 1 zeigt eine Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung eines Beschichtungsmaterials gemäß der Erfindung. Ein zu beschichtendes, kathodisch kontaktiertes Substrat 10 ist in einem Gefäß 26 in einen Elektrolyten 22 getaucht, welcher ein Beschichtungsmaterial enthält. Zwischen einer Anode 14 und einer Kathode 12 ist eine elektrische Spannung angelegt, wobei eine elektrische Versorgungseinheit 20 mit Leitungen 32 und 34 mit der Kathode 12 bzw. der Anode 14 verbunden ist. Die elektrische Versorgungseinheit 20 kann Gleichspannungs- oder Wechselspannungssignale, bzw. entsprechende Stromsignale, abgeben. Ebenso kann diese elektrische Versorgungseinheit 20 einen üblichen Funktionsgenerator beinhalten, mit dem Strom/Spannungs-Pulse oder Sägezahnsignale und dergleichen ausgegeben werden können.
• Das Substrat 10 ist als Hohlkörper mit einer Außenfläche 18 und einer Innenfläche 28 ausgebildet. Im Innenraum 16 des Substrats 10 ist ein flüssiger elektrischer Leiter 24 vorgesehen, in den die Kathode 12 eingetaucht ist. Die Außenfläche 18 des Substrats 10 ist mit dem Elektrolyten 22 in Kontakt. Es können Mittel vorgesehen sein, um den flüssigen elektrischen Leiter 24 während der Beschichtung umzuwälzen, z.B. eine Magnetrührer oder ein Gaseinlass, der Inertgas in die Flüssigkeit 24 einlässt und diese verwirbelt. Der Elektrolyt 22 wird z.B. mit einer Magnetrühreinrichtung 30 umgewälzt. Gegebenenfalls können Mittel zum Kühlen oder Heizen der Vorrichtung vorgesehen sein.
• In einer bevorzugten Anwendung wird Platin als Beschichtungsmaterial aufgebracht. Dazu wird das Gefäß 26 mit einer Hexachloroplatinsäure mit einem Platingehalt von etwa 0,2 g/l gefüllt und ein würfelförmiges Edelstahlsubstrat 10 eingetaucht, welches mit z.B. 0,1 molarer Schwefelsäure gefüllt ist. Etwa 5 ml Schwefelsäure in einem Würfel von 2 cm Kantenlänge ist dabei ausreichend. Als Kathode 12 wird eine Platinspirale in die Schwefelsäure eingetaucht und über einen Gaseinlass Argon eingeleitet. Als Anode 14 wird eine platinierte Streckmetallelektrode, z.B. aus Titan, in die Hexachloroplatinsäure eingetaucht. Es sind selbstverständlich auch andere geeignete Gegenelektroden einsetzbar. Ebenso kann das Substrat 10 anders geformt sein. Wird eine Gleichspannung von z.B. 1,3–1,5 Volt angelegt, scheidet sich Platin als Platincluster aufweisender schwarzer Niederschlag an der Außenfläche des Edelstahlwürfels 10 ab.
• Es kann auch der Innenraum 16 des Substrats 10 beschichtet werden. Dies ist in 2 schematisch dargestellt. Nunmehr ist der Innenraum 16 mit Elektrolyt 22 gefüllt und die Innenfläche 28 ist mit diesem zumindest bereichsweise in Kontakt. Die Außenfläche 18 ist mit dem flüssigen elektrischen Leiter 24 in Kontakt. Wird eine elektrische Spannung zwischen Anode 14 und Kathode 12 angelegt, überträgt sich das elektrische Potential der Kathode 12 über den flüssigen elektrischen Leiter 24 auf das Substrat 10, und das Beschichtungsmaterial im Elektrolyten 22 wird an der Innenfläche 28 des Substrats 10 reduziert und niedergeschlagen.
• Bevorzugt ist das Substrat 10 ein Plattenwärmetauscher, der mit einer katalytischen Beschichtung im Inneren beschichtet wird. Weiterhin bevorzugt ist das Substrat 10 ein katalytischer Brenner, der im Inneren mit einer katalytischen Beschichtung beschichtet wird. Besonders bevorzugt werden Komponenten mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer katalytischen Beschichtung versehen, die insbesondere Au, Ag, Pt, Ru und/oder Pd aufweist. Ganz besonders bevorzugt werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Komponenten eines Brennstoffzellensystems beschichtet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur elektrochemischen Abscheidung eines Beschichtungsmaterials auf einem zu beschichtenden, elektrisch kontaktierten Substrat (10), welches in einen das Beschichtungsmaterial enthaltenden Elektrolyten (22) getaucht ist, wobei eine elektrische Spannung zwischen eine Anode (14) und eine Kathode (12) gelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) beabstandet zur Kathode (12) zwischen der Kathode (12) und der Anode (14) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (10) und der Kathode (12) ein flüssiger elektrischer Leiter (24) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige elektrische Leiter (24) getrennt vom Elektrolyten (22) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (12) in direktem elektrischen Kontakt mit dem flüssigen elektrischen Leiter (24) ist.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige elektrische Leiter (24) im wesentlichen frei von Beschichtungsmaterial ist.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) in einem Innenraum (16) mit dem flüssigen elektrischen Leiter (24) gefüllt ist und eine Außenfläche (18) mit dem Elektrolyten (22) in Kontakt ist.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (10) in einem Innenraum (16) mit dem Elektrolyten (22) gefüllt ist und eine Außenfläche (18) mit dem flüssigen elektrischen Leiter (24) in Kontakt ist.
8. Verwendung der Vorrichtung zur katalytischen Beschichtung eines Plattenwärmetauschers.
9. Verwendung der Vorrichtung zur katalytischen Beschichtung eines katalytischen Brenners.