EP1230147A2 - Verfahren zur herstellung von aus übergangsmetalloxiden bestehenden nanotubes - Google Patents
Verfahren zur herstellung von aus übergangsmetalloxiden bestehenden nanotubesInfo
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Definitions
- the invention relates to a method for producing nanotubes consisting of transition metal oxides using a template.
- Applicant's WO 98/26871 discloses a method for direct chemical synthesis of nanotubes consisting of transition metal oxides.
- a solution is made from a neutral surfactant molecule and a metal alkoxide.
- the solution is hydrolyzed and the precipitate aged.
- the precipitate is then heated.
- the neutral surfactant molecule is, for example, hexadecylamine and the metal alkoxide is a Vanadiu al- koxic or molybdenum alkoxide.
- the nanotubes produced by this process are significantly more stable to oxidation than carbon nanotubes and show clear redox activators. They are also suitable as an active material for. -Atalytic reactions. This manufacturing process enables the production of larger quantities of transition metal oxide nanotubes, but the manufacturing costs are still comparatively high.
- the invention proposes a further and even more cost-effective method for the direct production of nanotubes consisting of transition metal oxides.
- V 2 0 5 is particularly suitable as a precursor and can be produced many times more cost-effectively than the metal alkoxides used hitherto.
- the invention therefore makes it possible to reduce the manufacturing costs by a multiple. As before, larger quantities can be produced, for example in the kilogram range.
- V 2 0 5's insensitivity to water and air makes it easy to work without an inert atmosphere.
- FIG. 2 shows an X-ray diagram of dodecylamine-containing nanotubes and produced according to the invention from V 2 Os
- FIG. 3 shows an overview and an individual image of nanotubes produced from V 2 Os and dodecylamine
- FIG. 4 electron diffraction patterns of nanotubes produced from V 2 Os and containing dodecylamine
- FIG. 5 schematically shows the essential steps of the inventive method.
- a transition metal oxide with the layer structure is reacted with a template and the layers are thus widened.
- the templates are stored between the layers.
- the transition metal oxide with the layer structure forms the precursor.
- the expanded layer structure is heated.
- the layers convert topochemically to nanotubes.
- FIG. 5 schematically shows these process steps.
- the transition metal oxide with the layer structure is designated by A here.
- B schematically shows the expanded layers S, between which the template D is stored.
- C schematically represents a nanotube, with layers S typically being arranged in a roll shape. A reduction takes place at the transition from B to C.
- transition metal oxides with a layer structure are suitable as precursors.
- V 2 Os has proven to be particularly suitable.
- the template is preferably a neutral amine.
- FIG. 1 shows the infrared spectrum of the nanotubes produced by this method.
- FIG. 2 shows the powder diagram, which gives a layer spacing of 27.4 ⁇ .
- FIG. 3 shows an overview of nanotubes that were produced by this method.
- FIG. 4 shows electron diffraction reflections of such nanotubes, these reflections resulting in a " layer spacing of 21.8 ⁇ .
- the difference in the layer spacing is due to the ultra-high vacuum conditions and the thermal stress on the material in the electron microscope.
- the order structure of the template molecules is changed.
- Dodecylamine can be replaced by another neutral amine or terminal diamine.
- the ratio of vanadium oxide to template is, for example, 2: 1.
- V 2 Os in ethanolic dodecylamine solution resulted in a brown-yellow lamellar structured composite of surfactant (amine) and vanadium (V) oxide after adding water and subsequent aging.
- the regular layer spacing in this material is around 2.9 nm.
- a subsequent treatment under hydrothermal conditions yielded a product of overgrown and individual nanorums with a gross composition of V0 2 , 4 [C ⁇ 2 H 2 sN] 0 , 3 .
- the neutral template molecules are converted into ammonium cations.
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Abstract
Zum Herstellen von aus Übergangsmetalloxiden bestehenden Nanotubes unter Verwendung eines Templates werden Schichten aus TOx als Prekursor mit einem Template aufgeweitet. Die aufgeweiteten Schichten erfolgt durch die umgewandelt. Das Aufweiten der Schichten erfolgt durch die Einlagerung eines Templates. Das Verfahren ermöglicht eine wesentlich kostengünstigere Herstellung von Nanotubes. Der Perkursor ist vorzugsweise V2o5. Zusätzlich werden auch, die auf diese Weise hergestellte Nanotubes beansprucht.
Description
Verfahren zur Herstellung von aus ϋbergangsmetalloxidβn bestehenden Nanotubes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus Übergangsmetalloxiden bestehenden Nanotubes unter Verwendung eines Templates.
Ein solches Verfahren ist in der Publikation von SATΪSHKUMAR, B.C. ET AL: "Oxide nanotubes prepared using carbon nanotubes as templates" J. MATER. RES . (1997), 12(3), 604-606 offenbart. Nach diesem Verfahren soll es möglich sein, Nanotubes aus Si02, A1203, V205 und Mo03 herzustellen, wobei Kohlenstoffnanotubes als Template verwendet werden. Die Kohlenstoffnanotubes werden nach diesem Verfahren mit Tetraethylorthosilikat, Aluminiumisopropoxid oder Vanadiumpentoxidgel beschichtet und anschliessend in Luft erhitzt um den Kohlenstoff zu oxidieren. Diese Synthesen sind aufwendig und führen lediglich zu sehr kleinen Mengen.
Die WO 98/26871 des Anmelders offenbart ein Verfahren für eine direkte chemische Synthese von Nanotubes, die aus Übergangsmetalloxiden 'bestehen. Bei diesem Verfahren wird eine Lösung aus einem neutralen Tensidmolekül und einem Metallalkoxid hergestellt. Die Lösung wird hydrolisiert und der Niederschlag gealtert. Anschliessend wird der Niederschlag erhitzt. Das neutrale Tensidmolekül ist beispielsweise Hexadecylamin und das Metallalkoxid ein Vanadiu al-
koxic oder Molybdänalkoxid. Die nach diesem Verfahren hergestellten Nanotubes sind wesentlich oxidationsstabiler als Nanotubes aus Kohlenstoff und zeigen deutliche Redoxaktivi- täter.. Sie eignen sich unier anderem als aktives Material für .-atalytische Reaktionen. Dieses Herstellungsverfahren ermöglicht die Herstellung grösserer Mengen an Übergangsme- tallcxidnanotubes, die Herstellungskosten sind aber immer noch vergleichsweise hoch.
Mit der Erfindung wird ein weiteres und noch kostengünstigeres Verfahren zur direkten Herstellung von aus Übergangs- metailoxiden bestehenden Nanotubes vorgeschlagen.
Die Aufgabe ist dadurch gelöst, dass Schichten aus einem aus TOx, wobei T ein Übergangsmetall ist, als Prekursor mit einem Templat aufgeweitet und die aufgeweiteten Schichten hydrothermal umgewandelt werden. Als Prekursor eignet sich insbesondere V205 und dieses ist um ein mehrfaches kostengünstiger herstellbar als die bisher verwendeten Metallal- koxi e . Die Erfindung ermöglicht deshalb, die Herstellungskosten um ein mehrfaches zu senken. Wie bisher können grö- ssere Mengen, beispielsweise im Kilogrammbereich hergestellt werden. Ausserdem ermöglicht die Unempfindlichkeit von V205 gegenüber Wasser und Luft ein einfaches Arbeiten ohne Inertatmosphäre.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Infrarotspekturm von erfindungsgemäss aus V205 hergestellten Nanotubes,
Figur 2 ein Röntgen-Diagramm von Dodecylamin - haltigen und erfindungsgemäss aus V2Os hergestellten Nanotubes,
Figur 3 eine Übersichtsaufnahme und eine Einzelaufnahme von aus V2Os und Dodecylamin hergestellten Nanotubes,
Figur 4 Elektronenbeugungsmuster von aus V2Os hergestellten und Dodecylaminhaltigen Nanotubes und
Figur 5 schematisch die wesentlichen Schritte des erfindungsgemässen Verfahrens.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung wird darin gesehen, dass ein Übergangsmetalloxid mit einer Schichtstruktur mit einem Templat umgesetzt und damit die Schichten aufgeweitet werden. Die Template werden hierbei zwischen den Schichten eingelagert. Das Übergangsmetalloxid mit der Schichtstruktur bildet den Prekursor. Nach einer Alterung wird die aufgeweitete Schichtstruktur erhitzt. Hierbei wandeln sich die Schichten topochemisch zu Nanotubes um. Die Figur 5 zeigt schematisch diese Verfahrensschritte. Das Übergangsmetalloxid mit der Schichtstruktur ist hier mit A bezeichnet. B zeigt schematisch die aufgeweiteten Schichten S, zwischen denen das Templat D gelagert ist. Mit C ist ein Nanotube schematisch dargestellt, wobei hier typischerweise die Schichten S rollenförmig angeordnet sind. Beim Übergang von B nach C findet eine Reduktion statt.
Als Prekursoren eignen sich grundsätzlich sämtliche Übergangsmetalloxide mit einer Schichtstruktur. Als besonders geeignet hat sich V2Os erwiesen. Das Templat ist vorzugsweise ein neutrales Amin.
Nachfolgend wird ein Bespiel einer Synthese beschrieben. Zu 815 mg (4,5 mmol) V205 wurden 830 mg (4,5 mmol) Dodecylamin gegeben und nach Zugabe von 3 ml Ethanol wurde diese Suspension eine Stunde gerührt. Anschliessend wurde die Suspension mit 15 ml destilliertem Wasser versetzt und 24 Stunden bei Raumtemperatur gealtert. Es bildete sich eine
dicke, gelbe Suspension mit einem pH Wert von etwa 7. Das Gemisch wurde nun in einen Autoklaven mit einem Innenvolumen von 43 ml abgefüllt und einen Tag bei 100 °C und sieben Tage bei 180 °C geheizt. Nach dem Abkühlen wurde das schwarze Reaktionsprodukt abfiltriert, mit 50 ml Ethanol und 20 ml Ethylether gewaschen und luftgetrocknet.
Für die Elementaranalyse wurde die Probe 24 Stunden unter Vakuum in Hexan extrahiert und 24 Stunden am Feinvakuum bei 80°C getrocknet. Die Analyse ergab folgendes Resultat:
[C] 26,62 Gew.% [H] 5,29 Gew.% [N] 2,59 Gew.% [V] 34,8 Gew.%
Die Figur 1 zeigt das Infrarotspektrum der nach diesem Verfahren hergestellten Nanotubes. Die Figur 2 zeigt das Pulverdiagramm, das einen Schichtabstand von 27,4 Ä ergibt. Die Figur 3 zeigt eine Übersichtsaufnahme von Nanotubes, die nach diesem Verfahren hergestellt wurden. Schliesslich zeigt die Figur 4 Elektronenbeugungsreflexe solcher Nanotubes, wobei diese Reflexe einen "Schichtabstand von 21,8 Ä ergeben. Der Unterschied im Schichtabstand ist auf die Ultrahochvakuum-Bedingungen sowie die thermische Belastung des Materials im Elektronenmikroskop zurückzuführen. Dabei wird die Ordnungsstruktur der Templatemoleküle verändert.
Dodecylamin kann durch ein anderes neutrales Amin oder ter- minales Diamin ersetzt werden. Das Verhältnis von Vanadiumoxid zum Templat beträgt beispielsweise 2:1.
Die Umsetzung von V2Os in ethanolischer Dodecylaminlösung ergab nach Zugabe von Wasser und anschliessender Alterung ein braun-gelbes lamellar strukturiertes Komposit aus Sur- factant (Amin) und Vanadium (V)oxid. Die regelmässigen Schichtabstände in diesem Material liegen bei etwa 2,9 nm.
Eine nachfolgende Behandlung unter hydrothermalen Bedingungen lieferte ein Produkt aus verwachsenen und einzelnen Nanorcnren der Bruttozusammensetzung V02,4 [Cι2H2sN] 0,3. Unter den Synthesebedincungen werden dabei die neutralen Templatemoleküle in Ammcniumkationen umgewandelt.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen von aus Übergangsmetalloxiden oestehenden Nanotubes unter Verwendung eines Templates, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten aus T0X, wobei T ein Übergangsmetall ist, als Prekursor mit einem Templat durch Einlagerung zwischen diesen Schichten aufgeweitet und die aufgeweiteten Schichten hydrothermal umgewandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prekursor V205 ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Templat ein Amin ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Amin ein neutrales Amin ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 od-er 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Amin ein terminales primäres Amin ist,
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Amin ein terminales Diamin ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von TOx zum Templat im wesentlichen 2:1 ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension aus dem Prekursor und dem Templat gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mit Wasser versetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension gealtert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension bei etwa Raumtemperatur mehrere Stunden, vorzugsweise wenigstens 24 Stunden gealtert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension in einem Autoklaven erwärmt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension mehrere Tage bei etwa 180 °C oder mehr erwärmt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension zur hydrothermalen Umwandlung der Schichten auf wenigstens 100%C erwärmt wird und nach Verfahren 12 und 13 weiterbehandelt wird.
15. Nanotubes hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
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