DE19717690A1 - Verfahren zur Herstellung vanadiumoxidhaltiger Silica-Gele unter Verwendung von Vanadylacetylacetonat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vanadiumoxidhaltigen Silica- Gelen (Aerogele oder Xerogele), gekennzeichnet dadurch, daß Vanadiumoxid in Form von Vanadylacetylacetonat im Sol-Gel-Prozeß eingebracht wird.

Nach dem Gelieren und Trocknen wird das vanadiumoxid-haltige Silica-Gel bei erhöhter Temperatur ausgeheizt und es entsteht insbesondere Vanadiumpentoxid V₂O₅. Diese über die poröse und großflächige Silica-Matrix verteilten Vanadiumoxidzentren sind in der Lage, kleine polare Moleküle (z. B. H₂O) unter charakteristischem Farbwechsel anzulagern [siehe Stiegman et al. und Hollemann-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 1985, S.1073 ff]. Das Material kann deshalb Anwendung in den Bereichen der Sensortechnik finden. Da Vanadium als Übergangsmetall leicht seine Oxidationsstufe wechseln kann, kann vanadiumoxidhaltiges Silica-Gel auch für katalytische Zwecke eingesetzt werden. Die Verwendung von Vanadylacetylacetonat eröffnet eine billigere und weniger giftige, bzw. umweltbelastende Herstellung von vanadiumoxidhaltigen Silica- Gelen. Zudem hat das Vanadylacetylacetonat eine geringere Reaktivität im Vergleich zu dem bisher eingesetzten und im weiteren näher beschriebenen Vanadium(V)oxid­ triisopropoxid. Deshalb greift es weniger hemmend in den Sol-Gel-Prozeß ein und damit sind kürzere Gelbildungszeiten möglich.

Die Herstellung von Silica-Gelen ist nach dem Stand der Technik mit zwei verschie­ denen Typen von Ausgangsstoffen über den Sol-Gel-Prozeß möglich:
Im ersten Verfahren ist die Ausgangslösung Wasserglas, das durch Ansäuern ein Hy­ drogel bildet [S. S. Kistler, J. Phys. Chem. 36 (1932)]. Die Alkalimetallionen des Wasser­ glases können entweder mit Wasser aus dem festen Gel ausgewaschen werden oder bereits vor dem Gelieren mit Hilfe eines Ionenaustauschers entfernt werden. Das in den Poren vorhandene Wasser kann gegen jedes beliebige, mit Wasser mischbare Lösungsmittel aus­ getauscht werden.

Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung von Silica-Gelen ist die Verwendung von Alkoxysilanen, meist Tetramethoxysilan oder Tetraethoxysilan, die in einem Lösungs­ mittel, häufig Methanol oder Ethanol, mit Wasser umgesetzt werden. Zur Steuerung der Gelbildungszeit und der Gelstruktur können eine Reihe verschiedener Katalysatoren, zum Beispiel Salzsäure, Flußsäure, wäßrige Ammoniaklösung, Natronlauge eingesetzt werden. Es ist auch möglich, aus dem Alkoxysilan mit einer geringen Menge Wasser unter Zugabe von Säure, bevorzugt bei einem pH-Wert von 2, eine vorhydrolysierte Vorstufe herzustellen. Diese kann in einem zweiten Schritt durch weitere Wasserzugabe, unter sauren oder basischen Bedingungen zum Gelieren gebracht werden.

Vanadium-Silicium-Mischoxidgele und ähnliche Materialien waren in den letzten bei­ den Jahrzehnten dank ihrer interessanten katalytischen Eigenschaften immer wieder Ge­ genstand intensiver Forschung:
A. Baiker, P. Dollenmeier, M. Glinski, A. Reller, V. K. Sharma, Mixed Gels of Vanadia and Silica: Structural Properties and Catalytic Behavior in Selective Reduction of Nitric Oxide with Ammonia, J. Catal. 111 (1988) 273-285.

A. E. Stiegman, H. Eckert, G. Plett, S. S. Kim, M. Anderson, A. Yavrouian, Vana­ dia/Silica Xerogels and Nanocomposites, Chem. Mater. 5 (1993) 1591-1594.

D. C. M. Dutoit, M. Schneider, P. Fabrizioli, A. Baiker, Vanadia-Silica Low- Temperature Aerogels: Influence of Aging and Vanadia Loading on Structural and Chemical Properties, Chem. Mater. 8 (1996) 734-743.

Um im Sol-Gel-Prozeß Vanadiumpentoxid zu erhalten, gehen die genannten Arbeiten von Vanadium(V)oxid-triisopropoxid bzw. -butoxid aus, da diese Ausgangsstoffe bereits die Oxidationsstufe und die direkte chemische Umgebung (ein doppelt gebundener Sauerstoff und drei Sauerstoffbrücken am Vanadium) des Vanadiumpentoxids besitzen. Während Baiker et al. die Gelierung des Sols nicht abwarten und direkt bei 60°C bzw. 120°C trocknet, ist bei Dutoit et al. zwar die Herstellung von "Aerogelen" beschrieben, jedoch handelt es sich dabei offensichtlich um sehr weiche Gele, die während der über­ kritischen Extraktion gerührt und danach zu Pulver zerrieben werden. Erst Stiegman et al. berichten von der Herstellung monolithischer, vanadiumhaltiger Silica-Xerogele, die nach Ausheizen bei 500°C bei der Adsorption kleiner Moleküle charakteristische Farbumschläge zeigen. Dazu wurde Vanadium(V)oxid-triisopropoxid in Verbindung mit Tetraethoxysilan, Isopropanol und Wasser eingesetzt. Die Gelzeiten dieser Gele lagen bei zwei Wochen. Vor der unterkritischen Trocknung bei 125°C (1 Woche) wurden diese Gele 6 Monate gealtert.

Die bisher zeitaufwendige und teure Herstellung vanadiumoxidhaltiger Silica-Gele wird überraschenderweise durch den Einsatz von Vanadylacetylacetonat in vielen Punkten erleichtert. Vanadylacetylacetonat, synonym Vanadium(IV)oxid-bis (2,4- pentandionat) ist im Gegensatz zum sehr feuchteempfindlichen, als giftig eingestuften, flüssigen Vanadium(V)oxid-triisopropoxid ein gegenüber der Hydrolyse relativ inerter, als mindergiftig eingestufter Feststoff von türkisblauer Farbe, von dem bis zu 64 g/l in Methanol und bis zu 13 g/l in Wasser löslich sind. Neben der geringeren Reaktivität, die die Handhabung vereinfacht, bietet Vanadylacetylacetonat den Vorteil, deutlich billiger zu sein (derzeit etwa ein Viertel des Preises von Vanadium(V)oxid-triisopropoxid) und bei gleicher Stöchiometrie bereits ohne den Einsatz von Katalysatoren deutlich kürzere Gelbildungs- und daher auch Alterungszeiten zu ermöglichen. Gegebenenfalls können hier übliche Katalysatoren, wie Ammoniak oder Natronlauge eingesetzt werden. Je länger die Gelbildungszeit, desto länger muß ein Gel vor der Trocknung gealtert werden, damit man einen rißfreien Monolithen erhält. Speziell für die Eigenschaft, die Adsorption kleiner Moleküle unter charakteristischer Farbänderung anzuzeigen, ist es wichtig, isolierte Vanadiumpentoxidzentren auf der inneren Oberfläche des Aero- oder Xerogels zu fixieren. Dies wird sowohl bei Vanadium(V)-triisopropoxid als auch bei Vanadylacetylacetonat erst durch Tempern erreicht, obwohl das Vanandium im erstgenannten Ausgangsstoff bereits in der Oxidationsstufe +5 vorliegt, während das Vanadium im letzteren Fall per se noch oxidiert werden muß, um die Oxidationsstufe von +4 auf +5 zu erhöhen.

Für spezielle Anwendungszwecke ist es eventuell erwünscht die Oxidationsstufe +4 beizubehalten. In diesem Fall wird auf die Ausheizung, bzw. Oxidation des vanadiumoxid­ haltigen Silica-Gels verzichtet.

Die Tatsache, daß der Einsatz der vierwertigen Vanadiumvorstufe zum gleichen Ergebnis führt wie eine fünfwertige, eröffnet, auch andere, zum Beispiel dreiwertige Aus­ gangssubstanzen wie Vanadium(III)-tris(2,4-pentandionat) erfolgreich zur Herstellung von vanadiumpentoxidhaltigen Silica-Gelen zu nutzen. Diese Möglichkeit soll in der Erfindung eingeschlossen sein.

Zur Herstellung eines vanadiumpentoxidhaltigen Silica-Gels unter Verwendung von Vanadylacetylacetonat löst man die gewünschte Menge Vanadylacetylacetonat in einem Lösungsmittel. Als Lösungsmittel kommen in Frage: Wasser, organische Lösungsmittel, vorzugsweise mit Wasser mischbare organische Lösungsmittel, bevorzugt Alkohole, be­ sonders bevorzugt Methanol, Ethanol, Isopropanol. Diese Lösung kann nun im Sol-Gel- Prozeß mit der Silica-Vorstufe und Wasser vermischt werden. Als Silica-Vorstufe können gemäß dem Stand der Technik verwendet werden: Alkoxysilane, vorzugsweise Tetrame­ thoxysilan oder Tetraethoxysilan, vorhydrolysierte Alkoxysilane, Wasserglas oder mit Hil­ fe eines Ionentauschers von Alkalimetallionen gereinigtes Wasserglas. Die Herstellung von Gelen auf der Basis von Wasserglas ist hier ausdrücklich möglich, da sich Vanadylace­ tylacetonat im Gegensatz zu Vanadium(V)oxid-triisopropoxid in ausreichender Menge in Wasser lösen läßt, ohne daß sofortige Gelierung eintritt. Die Gelbildung kann mit Hilfe von geeigneten Katalysatoren, in der Regel Säuren oder Basen, gesteuert werden.

Auch ein nachträgliches Einbringen von Vanadylacetylacetonat auf die innere Ober­ fläche des fertigen Silica-Gels ist möglich, indem letzteres in die entsprechende Lösung von Vanadylacetylacetonat getaucht wird. Dabei müssen die gelösten Moleküle in die Poren des Silica-Gels hineindiffundieren. Nach einer gewissen Alterung des Gels ist eine aus­ reichende Fixierung des Vanadylacetylacetonats im Gelgerüst gewährleistet. Wegen des zeit abhängigen Diffusionstransportes der Moleküle in das Gelgerüst ist hier eine homogene Vanadiumoxidverteilung nur bei Gelmonolithen geringer Ausdehnung möglich.

Das lösungsmittelhaltige, mit Vanadylacetylacetonat versetzte Gel kann nach dem Stand der Technik sowohl unterkritisch als auch überkritisch getrocknet werden. Bei der unterkritischen Trocknung läßt man das Lösungsmittel bei Umgebungsdruck ent­ weichen. Das Ergebnis ist ein Xerogel, dessen Enddichte von der Oberflächenspannung des Lösungsmittels sowie der Struktur des Gelgerüst bestimmt wird. Zur überkritischen Trocknung muß das Gel zusammen mit etwas zusätzlichem Lösungsmittel in einen Druck­ behälter eingebracht werden. Druck und Temperatur werden über den kritischen Punkt des Lösungsmittels erhöht, bevor das Lösungsmittel entweichen darf. Aufgrund der feh­ lenden Oberflächenspannung führt die überkritische Trocknung im allgemeinen zu Gelen mit im Vergleich zu entsprechenden Xerogelen niedrigeren Dichten und größeren Poren.

Um vanadiumpentoxidhaltige Aerogele bzw. Xerogele zu erhalten, müssen die Gele nach der Trocknung bei hohen Temperaturen in Luft bis etwa 600°C, bevorzugt zwischen 300°C und 500°C ausgeheizt werden. Bei der Verwendung von Vanadylacetylacetonat sind jedoch schon Oxidationen ab etwa 50°C zu beobachten.

Die zunächst blaßbraunen Gele werden beim Ausheizen farblos. Nach der Tempera­ turbehandlung zeigen sie in normaler Atmosphäre den für vanadiumpentoxidhaltige Gele typischen Farbumschlag von gelb über orange bis rot in Folge von Wasseradsorption aus der Luft.

Beispiele

• 1. 0.137 g Vanadylacetylacetonat werden unter Rühren in 12.50 g Methanol gelöst. Sodann gibt man 10.00 g Tetramethoxysilan hinzu, rührt einige Minuten, um eine homogene Lösung herzustellen, bevor man schließlich 5.00 g Wasser zusetzt. Zur Gelierung wird die Mischung in Probenformen abgefüllt und bei 30°C aufbewahrt wo sie innerhalb von 6 Tagen zu einem festen Gel erstarrt. Zur Verstärkung der Gelstruktur werden die fertigen Gele 1 Woche nach der Gelierung für 3 Wochen bei 50°C gelagert. Nach überkritischer Trocknung mit Kohlendioxid erhält man ein blaßbraunes, vanadiumhaltiges, monolithisches Aerogel. Nach Ausheizen bei 500°C erhält man transparente, farblose Gele, die sich an Luft aufgrund von Wasserad­ sorption rasch von gelb über orange bis rot verfärben.
• 2. Wie 1, jedoch wird anstatt Methanol Isopropanol verwendet, wodurch man innerhalb von 3 Tagen ein festes Gel erhält.
• 3. 0.137 g Vanadylacetylacetonat werden unter Rühren in 6.25 g Methanol aufgelöst. Sodann gibt man 5.00 g Tetramethoxysilan hinzu, rührt einige Minuten, um eine homogene Lösung herzustellen, bevor man schließlich 2.50 g Wasser bzw. 2.50 g 0.01 m NH₄OH zusetzt. Zur Gelierung wird die Mischung in Probenformen abgefüllt und bei 30°C aufbewahrt, wo sie innerhalb von 4.5 bzw. 3 Tagen zu einem festen Gel erstarrt.
• 4. Wie 3, jedoch wird anstatt Methanol Isopropanol verwendet, wodurch man innerhalb von 3 Tagen bzw. 1 Tag ein festes Gel erhält.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von vanadiumoxidhaltigen Silica-Gelen (Aerogel und Xerogel), dadurch gekennzeichnet, daß im Sol-Gel-Verfahren bereits in die Aus­ gangslösung Vanadiumoxid in Form von Vanadylacetylacetonat eingebracht wird.

2. Verfahren zur Herstellung von vanadiumoxidhaltigen Silica-Gelen (Aerogel und Xerogel), dadurch gekennzeichnet, daß im Sol-Gel-Verfahren bereits in die Aus­ gangslösung Vanadiumoxid in Form eines dreiwertigen Vanadiumoxids, z. B. Vanadium(III)-tris(2,4-pentandionat) eingebracht wird.

3. Verfahren zur Herstellung von vanadiumoxidhaltigen Silica-Gelen (Aerogel und Xe­ rogel), dadurch gekennzeichnet, daß im Sol-Gel-Verfahren nach der Gelierung Vana­ dylacetat oder ein dreiwertiges Vanadiumoxid in das Silica-Gel eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das getrocknete vanadiumoxidhaltige Silica-Gel bei Temperaturen zwischen 50°C und 600°C ausgeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ge­ trocknete vanadiumoxidhaltige Silica-Gel bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C ausgeheizt wird.