DE4432675A1 - Verfahren zur Herstellung von porösen Übergangsmetallverbindungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von porösen Übergangsmetallverbindungen

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DE4432675A1
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Wolf-Dietrich Einicke
Knut Hermecke
Wladimir Reschetilowski
Jens-Peter Hrapia
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Dechema Deutsche Gesellschaft fur Chemisches Apparatewesen Chemische Technik und Biotechnologie Ev 60486 Frankfurt De
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Übergangsme­ tallverbindungen mit Pillarstruktur, die sich vorteilhaft als Adsorbentien und Redoxkatalysatoren bei der chemischen Stoffwandlung und der katalytischen Abgasreinigung einsetzen lassen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Übergangsmetallverbindungen spielen in der stoffwandelnden Industrie und bei der katalytischen Abluftreinigung eine wesentliche Rolle. Der katalytische Prozeß läuft dabei an den Zentren der Oberfläche ab, die durch die umzuset­ zenden Moleküle erreicht werden können. Die üblicherweise aus der Stickstoff­ adsorptionsisotherme ermittelten BET-Oberflächen liegen im Bereich von 0.2 bis 50 m²/g.
Zur Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche wurden Schichtgitter mit anionischen Schichten (Lehav et al, Clays and Clay Minerals, 26, 107-115, 1988) und kationischen Schichten (Pinnavia et al, J. Am. Chem. Soc. 110, 3653-4, 1988) durch Ionenaustausch mit anorganischen Polyionen aufgeweitet und durch anschließende Calcinierung in eine Pillarverbindung überführt.
Auch neutrale anorganische Polymere wie Imogolit (Farmer, US 4, 252, 779 1981) oder Oligosilsesquioxane (Voronkov et al, "Polyhedral Oligosilsesquioxane and their Homo Derivatives" in Topics in Current Chemistry 102, 199-236, Springer- Verlag 1982) können in Schichtgitter mit anionischen Schichten zur Herstel­ lung von Pillarverbindungen mit großer Oberfläche eingebaut werden (Lewis, US 4,510,257 1985, Pinnavia et al, J. Am. Chem. Soc. 110, 8545-6, 1988).
Darlegung des Wesens der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von porösen Über­ gangsmetallverbindungen durch gezielte strukturelle Veränderungen zu ent­ wickeln. Erfindungsgemäß werden Übergangsmetallverbindungen mit Neutralschicht­ gittern organischen Molekülen und neutralen anorganischen Polymeren bei Tempe­ raturen von 293 bis 373 K ausgesetzt.
Charakteristisch für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Herstellung einer Pillarstruktur, bei dem die Schichten des Neutralschichtgitters der Übergangs­ metallverbindung irreversibel aufgeweitet werden. Die Oberflächen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Pillarstrukturen betragen 300-500 m²/g.
Erfindungsgemäß lassen sich durch Variation des Molverhältnisses zwischen der Übergangsmetallverbindung und dem anorganischen Polymer von 1 : 2 bis 1 : 0.3 die Weite der Poren und das Verhältnis von Mikroporen zu Mesoporen und Makroporen einstellen.
Erfindungsgemäß wird der Einbau in Anwesenheit von organischen Molekülen, bevorzugt Alkohole und Amine mittlerer Kettenlänge, durchgeführt. Die orga­ nischen Moleküle sind in der Lage, die Zwischenschichträume der Übergangs­ metallverbindungen zu intercalieren und damit aufzuweiten. Sie unterstützen die Diffusion der anorganischen Polymere in die Zwischenschichträume und be­ einflussen deren Verteilung.
Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise werden strukturelle Veränderungen erreicht, die nicht durch direkte Synthesewege erhalten werden können.
Die so hergestellten porösen Übergangsmetallverbindungen sind als Pulver oder nach den bekannten Verfahren des Verpressens, Verpillens, Extrudierens, Ver­ tropfens, Agglomerieren in bestimmten Suspensionen und anschließender Sprüh­ trocknung oder durch Agglomerieren in inerten, mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeiten als Formlinge einsetzbar. Als Formgebungsmittel können u. a. Tonminerale, Kieselsäuren, Schichtsilicate, Wassergläser und Tonmaterialien zum Einsatz kommen.
Als Beispiele für die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen porösen Übergangs­ metallverbindungen als Redoxkatalysatoren sind stoffwandelnde Oxidationspro­ zesse in Gas- und Flüssigphase und die katalytische Totaloxidation von Abluftströmen zu nennen. Die erfindungsgemäßen porösen Übergangsmetallverbin­ dungen können darüber hinaus auch bei adsorptiven Prozessen genutzt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird durch folgende Beispiele erläutert:
Beispiel 1 Herstellung eines porösen VOPO₄ mit Mikro- sowie Makro- und Mesoporen
0.1 mol VOPO₄ × 2 H₂O wurden mit 1 l n-Pentanol und 7.9 l einer Lösung von 0.2 mol Silsesquioxan in Benzen bei 293 K intercaliert. Nach einem 24stündigen Rührprozeß wurde das abgefrittete Produkt gewaschen, getrocknet und bei 573 K im Muffelofen calciniert.
Im Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Probe verschwindet der charak­ teristische Reflex der Ausgangsprobe bei d = 7.36 Å. Dafür treten Reflexe im Bereich von d = 27.6 Å bis d = 14.2 Å auf.
Die Mikroporenverteilung nach Horvath-Kawazoe, die aus der Stickstoffadsorp­ tionsisotherme bei 77 K (Bild 1) ermittelt wurde, zeigt die verstärkte An­ wesenheit von Mikroporen im Bereich von 5 Å bis 13 Å (Bild 2). Der häu­ figste Porendurchmesser der Mikroporen beträgt 6 Å. Aus der Isotherme wurden die in Tabelle 1 dargestellten Größen ermittelt.
Die DTG- und DTA-Kurve des Produktes (Bild 3) zeigen, daß das hergestellte Produkt bei einer Temperatur von 773 K stabil ist.
Aus der gleichzeitig mit Massenspektrometrie ermittelten Gaszusammensetzung über der Probe (Bild 4) wird deutlich, daß das VOPO₄-Pillar bei etwa 770 K Sauerstoff und Kohlendioxid aufnimmt.
Beispiel 2 Herstellung eines porösen VOPO₄ mit überwiegend Mikroporen
0.1 mol VOPO₄ × 2 H₂O wurden mit 1 l n-Pentanol und 2.9 l einer Lösung 0.06 mol Silsesquioxan in Benzen bei 293 K intercaliert. Nach einem 24stündi­ gen Rührprozeß wurde das abgefrittete Produkt gewaschen, getrocknet und 1073 K im Muffelofen calciniert.
Im Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Probe verschwindet der charak­ teristische Reflex der Ausgangsprobe bei d = 7.36 Å. Dafür treten Reflexe im Bereich von d = 18.6 Å bis d = 14.2 Å auf. Aus der Isotherme wurden die in Tabelle 1 dargestellten Größen ermittelt.
Tabelle 1
Adsorptionsdaten von porösen VOPO₄
Beispiel 3 Herstellung eines porösen VOSO₄
0.1 mol VOSO₄ × 2 H₂O wurden mit 1 l n-Pentanol und 70 l einer Lösung von 0.001 mol dialysiertem Imogolit in Wasser bei 323 K intercaliert. Nach einem 24stündigen Rührprozeß wurde das abgefrittete Produkt gewaschen, getrocknet und bei 1073 K im Muffelofen calciniert.
Im Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Probe verschwindet der charak­ teristische Reflex der Ausgangsprobe bei d = 7.36 A. Dafür treten Reflexe im Bereich von d = 18.6 Å bis d = 14.2 Å auf.
Aus der Stickstoffadsorptionsisotherme wurde der häufigste Porendurchmesser mit 11 Å ermittelt.
Beispiel 4 Herstellung eines porösen MoO₃ mit überwiegend Mikroporen
0.1 mol MoO₃ wurden mit 1 l n-Pentanol und 2.9 l einer Lösung von 0.04 mol Silsesquioxan in Benzen bei 293 K intercaliert. Nach einem 24stündigen Rühr­ prozeß wurde das abgefrittete Produkt gewaschen, getrocknet und bei 1073 K im Muffelofen calciniert.
Im Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Probe verschwindet der charak­ teristische Reflex der Ausgangsprobe bei d = 7.85 Å. Dafür treten Reflexe im Bereich von d = 17.2 Å bis d = 14.5 Å auf.
Aus der Stickstoffadsorptionsisotherme wurde der häufigste Mikroporendurchmes­ ser von 6.5 Å ermittelt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von porösen Übergangsmetallverbindungen mit Pil­ larstruktur und vorteilhaften adsorptiven und katalytischen Eigenschaften als Redoxkatalysator, gekennzeichnet dadurch, daß Übergangsmetallverbin­ dungen mit Neutralschichtgittern durch organische Moleküle und neutrale anorganische Polymere bei 293-373 K intercaliert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Intercalation mit anorganischen Polymeren in Molverhältnissen von 2 : 1 bis 1 : 3 (anorga­ nisches Polymer: Übergangsmetallverbindung) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Intercalation durch anorganisches Polymer in Gegenwart von organischen Molekülen statt­ findet.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7388685B2 (en) 1999-05-25 2008-06-17 Silverbrook Research Pty Ltd Method and system for composition and transmission of an electronic mail message via an interactive document

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