EP2352586A1 - Bauteil mit einer katalytischen oberfläche, verfahren zu dessen herstellung und verwendung dieses bauteils - Google Patents

Bauteil mit einer katalytischen oberfläche, verfahren zu dessen herstellung und verwendung dieses bauteils

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EP2352586A1
EP2352586A1 EP09763895A EP09763895A EP2352586A1 EP 2352586 A1 EP2352586 A1 EP 2352586A1 EP 09763895 A EP09763895 A EP 09763895A EP 09763895 A EP09763895 A EP 09763895A EP 2352586 A1 EP2352586 A1 EP 2352586A1
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EP
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component
mno
metallic
component according
particles
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EP09763895A
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Axel Arndt
Christian Doye
Ursus KRÜGER
Uwe Pyritz
Jens Dahl Jensen
Oliver Stier
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Original Assignee
Siemens AG
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    • B01D2259/4575—Gas separation or purification devices adapted for specific applications for use in transportation means in aeroplanes or space ships

Definitions

  • the invention relates to a component with a catalyst surface.
  • the invention relates to a method for producing a catalyst surface on a component by cold gas spraying.
  • the invention relates to a use of such a component.
  • a catalyst surface on a component is known, for example, according to US 2003/0228414 Al. This catalyst surface can be produced by direct deposition of a catalytically active substance on the component.
  • a cold gas spraying in which the particles of the catalytic layer material are fed into a so-called cold gas jet, a process gas flowing at supersonic velocity. In the cold gas jet, these particles are accelerated toward the surface of the component to be coated and remain adhering to this surface while converting their kinetic energy.
  • the object of the invention is to specify a component with a catalyst surface, a method for its production or a use of this component, wherein the catalyst surface should have a comparatively high catalytic activity.
  • This invention is achieved with the aforementioned component or with a cold spraying method in that the catalyst surface consists of metallic portions and the first contacting portions of Mn ⁇ 2 .
  • the invention provides that in the Cold gas spraying the catalyst surface is produced by spraying Mn ⁇ 2 particles, wherein the Mn ⁇ 2 forms only portions of the catalyst surface and also metallic portions of the catalyst surface are made available, each adjacent to the shares of MnO 2 .
  • the metallic components can, as will be explained in more detail below, be provided by the metallic surface of the component to be coated or by admixing metallic particles in the cold gas jet.
  • MnO 2 As a mating with a metal, it is possible according to the invention to achieve a particularly high catalytic activity of the catalyst surface formed. It has surprisingly been found that the catalytic activity of MnO 2 , which is known per se, can be increased by metallic fractions on the surface, although overall the available catalytic surface of MnO 2 is reduced. This contradicts the expected result that a reduction of the real available surface area of MnO 2 in the event of incomplete coverage of the surface of the component is accompanied by a proportional loss of catalyst activity.
  • the surface of the component must therefore not be completely covered with the metallic components and the proportions of the MnO 2 .
  • a partial coating is already sufficient to achieve the catalytic effect. Depending on the application, this is to be chosen so large that the available catalytic surface is sufficient for the desired effect for the conversion of ozone, for example.
  • the proportion of MnO 2 in relation to the Both fractions formed total area should be at least 10%, preferably 30 to 70%, in particular 50%.
  • the MnO 2 is at least partially present in the ⁇ -modification.
  • the ⁇ -modification is a structural constitution of the crystal formed by the MnO 2 , which advantageously exhibits a particularly strong catalytic activity.
  • the real structure of MnO 2 is generally not exclusively in the ⁇ -modification, but partly also in other modifications (eg the ⁇ -modification of MnO 2 ).
  • the microstructural content of MnO 2 in the ⁇ -modification should be more than 50% by weight.
  • the component consists of the metal component making available metal and an only partially covering layer of MnO 2 is applied to this component.
  • these are, for example, components made of Ag or Ni, which by virtue of their material composition already make available the one constituent required for the preparation of the catalytic surface.
  • production of the surface according to the invention is advantageously particularly easily possible by applying a non-covering layer from the other portion of the surface, namely MnO 2 .
  • the component consists of a ceramic which provides the proportion of MnO 2 and an only partially covering layer of the metal is applied to this component.
  • the component could be designed as a wear-stressed ceramic component. This does not have to consist exclusively of MnO 2 . hen.
  • the ceramic is produced as a sintered ceramic from different types of particles, wherein the Mn ⁇ 2 represents a kind of these particles. In this variant, however, it must be considered that the processing temperatures for the component must be below 535 ° C., since the MnO 2 is converted into MnO at this temperature and thus loses its outstanding catalytic properties in the material combination according to the invention.
  • the component has a coating, which provides the metallic components and the proportions of Mn ⁇ 2 the surface.
  • a coating which provides the metallic components and the proportions of Mn ⁇ 2 the surface.
  • components of various materials can be coated, wherein the catalytic properties of the layer according to the invention is advantageously caused solely by the nature of the layer or the catalytic surface formed by them.
  • a suitable coating method must be selected in each case for the relevant material of the component.
  • the component may have a lattice-shaped structure.
  • This can be a grid with a two-dimensional orientation, that is to say a component which is essentially flat.
  • the lattice-shaped structures offer the significant advantage that, on the one hand, the surface available for the application of the catalytic active partner is increased, but on the other hand, the flow resistance generated by the lattice structure is comparatively low.
  • Grid-shaped components can therefore be advantageous in Ventilation ducts are applied.
  • the application is particularly advantageous, for example, in extractor hoods, wherein the lattice-shaped structure forms the outlet grille for cleaned exhaust air. This application is used in so-called recirculation hoods, in which, in contrast to exhaust hoods, the intake air is not discharged from the building but remains in it.
  • plasma generators are used in the prior art, which have a high-voltage discharge source, with which the air is enriched with atomic oxygen. This causes a decomposition or. Oxidation process that breaks down the carbon compounds responsible for odor generation and eliminates odors in this way. However, this process also produces ozone, which can be catalytically converted into diatomic oxygen by the components according to the invention. As a result, activated carbon filters can advantageously be saved, which disadvantageously oppose the air flow of the extractor hood a relatively high air resistance and also need to be replaced at regular intervals.
  • a cold gas spraying can be used, wherein the catalytic surface is produced by spraying MnO 2 particles.
  • the MnO 2 forms only portions of the catalytic surface, the metallic components are formed for example by Ni and / or Ag.
  • the metallic components can, as already described, either by the component itself be made available, or they are added as particles to the cold gas jet, so that the metallic components of the surface are formed by the forming layer.
  • MnO 2 particles which at least partially exhibit the ⁇ -modification of the MnO 2 structure.
  • the cold gas spraying with operating temperatures must be operated in any case below the decomposition temperature of the ⁇ -modification. This temperature is at
  • the ⁇ modification of the microstructure must be at least partially contained in the MnO 2 particles. This can be achieved by mixing the MnO 2 particles with manganese oxide particles of others Modifications (eg ß-modification of Mn ⁇ 2) be realized. Another possibility is that the particles consist of phase mixtures, so that the ⁇ -modification of the Mn ⁇ 2 is not the only one present in the particles.
  • nanoparticles with a diameter> 100 nm are processed as MnO 2 particles.
  • nanoparticles are understood as meaning particles which are ⁇ 1 ⁇ m in diameter. Surprisingly, it has been shown that such small ones
  • the processing of nanoparticles of Mn ⁇ 2 has the advantage that with comparatively little material, a comparatively high specific surface and thus a strong expression of the catalytic effect can be achieved. Also the
  • Boundary lines between the proportions of MnO 2 and metallic proportions of the catalytic surface are advantageously greatly extended in this way, which also has an effect on a high degree of catalytic properties.
  • the energy input into the particles is controlled to control the specific (or inner) surface of the prepared layer forming the catalytic surface. Because of a higher porosity of the layer produced, namely, the inner surface can be enlarged in order to provide an enlarged catalytic surface. As a result, the germicidal effect can thus be increased. On the other hand, it may also be advantageous if the surface is made possible smoothly, in order to counteract a tendency to fouling.
  • the catalytic surface can be produced electrochemically.
  • the metallic portion of the catalytic surface is deposited as a layer electrochemically from an electrolyte in which particles of Mn ⁇ 2 are suspended. These are then incorporated into the forming layer during the electrochemical deposition process and thus also form a fraction of MnO 2 at the surface of the layer.
  • Another method can be obtained by making the layer of a ceramic containing at least MnO 2.
  • a mixture of preceramic polymers, which form precursors of the desired ceramic, and metal particles in a solution can be applied to the component to be coated.
  • the solvent is evaporated medium, can then by a heat treatment which is advantageously below the decomposition temperature of the ⁇ -modification of the MnO 2 (535 ° C), are converted to ceramics.
  • the temperature remains below 450 0 C to prevent the formation of Mn 2 O 3 .
  • the following embodiments of the component according to the invention can be produced using the methods mentioned.
  • the coating produced can have a metallic layer on which an only partially covering layer of MnO 2 is applied.
  • the metallic layer thus forms the metallic part of the surface that comes to light in the places where the layer of MnO 2 does not cover. In this component design, only a very small proportion of MnO 2 is advantageously necessary. It is also conceivable to use the above-mentioned manufacturing methods in combination.
  • the metallic layer can be produced galvanically and the only partially covering layer of MnO 2 by cold gas spraying.
  • the coating has a ceramic layer which provides the proportion of MnO 2 and on which an only partially covering metallic layer is applied.
  • This design of the component is of importance if the properties of the ceramic layer are structurally advantageous for the component (for example, corrosion protection).
  • the coating it is also possible for the coating to consist of a ceramic which makes available the proportion of MnO 2 and in which metallic particles are embedded.
  • a ceramic layer which makes available the proportion of MnO 2 and in which metallic particles are embedded.
  • the ceramic layer is subject to wear and, as wear progresses, ie removal of the layer, it should retain its catalytic properties. The latter is ensured by the fact that again and again MnO 2 particles are exposed during the removal of the ceramic layer, which ensure the proportion of MnO 2 according to the invention on the surface.
  • the layer has a metallic matrix, in which the particles of Mn ⁇ 2 are embedded. For this layer, too, the argument holds that the catalytic properties of a layer removal remain the same.
  • the component can also be designed such that this layer or a layer applied to it consists of a material which is different from the metallic component and from MnO 2 and is present in this material (in the case of wear, see above) and / or on this particle each provide the metallic components and the proportions of MnO 2 on their surface (meaning the surface of the particles).
  • these are advantageously tailor-made particles with catalytic properties which can be applied universally to any surface or matrix.
  • the method suitable for introduction or application must be selected. With this measure, for example, components made of plastic with catalytic properties can be produced.
  • the particles introduced into the layer or the component are either exposed to wear or, in the case of a porous structure of the component, can also be involved in the catalytic effect if they form the walls of the pores.
  • the invention relates to a use of the already described component for reducing the ozone content of a gas sweeping over the catalyst surface.
  • This gas can be provided primarily by the earth's atmosphere.
  • the air is enriched with ozone, z. B. on hot summer days in the inner city area or in higher atmospheres, which are used by air traffic. Since ozone is harmful to the human organism, the respiratory air released from the atmosphere in the interior of the car or is pumped into the passenger cabin of an aircraft, are largely freed by the inventive catalyst surface of ozone.
  • applications in chemical engineering are also conceivable.
  • the catalyst surface can be configured, for example, as an inner lining of air-carrying pipe systems. This has the advantage that by providing the catalyst surface no additional flow obstruction must be installed in the air-conducting channels.
  • the air duct system can also be provided with an air-permeable insert, which must be flowed around by the sucked air.
  • FIG. 1 to 5 different embodiments of the component according to the invention with different catalytic surfaces
  • Figure 6 curves of the catalytic effect of an embodiment of the catalyst surface according to the invention in comparison to reference surfaces.
  • FIGS. 1 to 5 each show a component 11 with a surface 12 which has catalytic properties. These properties are generated by the surface each having a portion 13 consisting of MnO 2 and further a metallic portion 14 of Ag or Ni is provided.
  • the component could be, for example, an air duct whose inner walls form the said surface.
  • the component according to FIG. 1 itself consists of Ni or Ag, so that its surface 12 automatically provides the metallic component 14.
  • On the surface 12 further island-like areas of Mn ⁇ 2 are formed, which make the share 13 available. These can be applied, for example, as non-opaque coating by cold gas spraying.
  • a component 11 which consists of a material which is unsuitable for producing the catalytic properties of the surface. Therefore, a metallic layer 15 of Ni or Ag is applied to this component 11. On this layer, which makes the portion 14 available, Mn ⁇ 2 is applied in the manner described for Figure 1, so that shares 13 arise.
  • FIG. 3 shows that the metallic layer can also be doped with particles 16 of MnO 2, ie. h., That these particles are in the metallic matrix 17 of the metallic layer 15. In this respect, they also form that part of the surface 12 which makes the share 13 available. The rest of the surface forms the portion 14.
  • Matrix 21 is formed, which has pores 22 which increase the inner surface compared to the outer surface 12 of the component and thus also enhance a catalytic effect.
  • metallic Particles 23 are provided which provide the portion 13 both on the surface 12 and can also be catalytically active in the pores.
  • the component 11 according to FIG. 4 can consist of any desired material, wherein only the adhesion of the coating 15 to the component 11 has to be ensured.
  • the component 11 according to Figure 5 has a matrix of any material 24, for. B. plastic.
  • this particle 25 are introduced, whose respective surface both metallic components of Ni or Ag as well as shares of Mn ⁇ 2 have.
  • the particles themselves consist of the metal and the ceramic components are formed on the surface of the particles.
  • the particles are partially exposed on the surface 12 of the component 11, whereby the metallic portions 14 and the portions 13 of Mn ⁇ 2 13 are formed.
  • the ratio of the stated proportions can be influenced directly by the degree of filling of particles 25 in the material 24.
  • FIG. 6 shows the measurements on a component with different catalytic surfaces.
  • concentration of ozone in stationary flowing air is plotted on the Y-axis (unit ppb).
  • duration of the stationary flow is shown on the X-axis.
  • the content of ozone in the stationary air was between 980 and 1000 ppb, as can be seen from curve 30. If a surface with proportions of Ag and Pd is used as the catalyst surface, curve 31 results. It can be seen that for a longer service life, about 90% of the in the stationary flowing air containing ozone could be reduced.
  • each half of the surface of Ag and half of MnO can be compared to achieve a further improvement in the catalytic properties.
  • Measurement curve 33 shows that with this catalyst surface permanently more than 99% of the ozone contained in the stationarily flowing air could be degraded.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Katalysator-Oberfläche (12). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Oberfläche (12) metallische Anteile (14) und erstere berührende Anteile von MnO2 (13) aufweist, wobei die metallischen Anteile bevorzugt aus Ag und/oder Ni bestehen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Werkstoffpaarungen im Vergleich zu den reinen Metallen eine stark verbesserte katalytische Wirkung erzielen. Insbesondere bei Verwendung des toxikologisch unbedenklichen Ni können diese Oberflächen beispielsweise auch in der Raumluftreinigung zur Verringerung des Ozongehaltes Verwendung finden. Die Oberfläche kann beispielsweise durch eine Beschichtung (15) des Bauteils aufgebracht werden, wobei der metallische Anteil und der Anteil an MnO2 in zwei Lagen (19, 20) aufgebracht wird.

Description

Beschreibung
Bauteil mit einer katalytischen Oberfläche, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung dieses Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Katalysator- Oberfläche. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Katalysator-Oberfläche auf einem Bauteil durch Kaltgasspritzen. Zuletzt betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Bauteils.
Eine Katalysatoroberfläche auf einem Bauteil ist beispielsweise gemäß der US 2003/0228414 Al bekannt. Diese Katalysator-Oberfläche kann durch ein direktes Abscheiden einer kata- lytisch wirksamen Substanz auf dem Bauteil erzeugt werden.
Hierzu wird ein Kaltgasspritzen verwendet, bei dem die Partikel des katalytischen Schichtwerkstoffes in einen sogenannten Kaltgasstrahl, einem mit Überschallgeschwindigkeit strömenden Prozessgas, eingespeist werden. In dem Kaltgasstrahl werden diese Partikel zur Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils hin beschleunigt und bleiben unter Umwandlung ihrer kinetischen Energie auf dieser Oberfläche haften.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Bauteil mit einer Katalysator-Oberfläche, ein Verfahren zu dessen Herstellung bzw. eine Verwendung dieses Bauteils anzugeben, wobei die Katalysator-Oberfläche eine vergleichsweise hohe katalytische Aktivität aufweisen soll.
Diese Erfindung wird mit dem eingangs genannten Bauteil bzw. mit einem Kaltpritzverfahren dadurch gelöst, dass die Katalysator-Oberfläche aus metallischen Anteilen und ersteren berührenden Anteilen an Mnθ2 besteht. Um eine solche Schicht herzustellen, ist erfindungsgemäß vorzusehen, dass bei dem Kaltgasspritzen die Katalysatoroberfläche durch Spritzen von Mnθ2-Partikeln erzeugt wird, wobei das Mnθ2 nur Anteile der Katalysator-Oberfläche bildet und außerdem metallische Anteile der Katalysator-Oberfläche zur Verfügung gestellt wer- den, die jeweils an die Anteile des MnO2 angrenzen. Die metallischen Anteile können, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, durch die zu beschichtende metallische Oberfläche des Bauteils oder durch Zumischung metallischer Partikel in den Kaltgasstrahl zur Verfügung gestellt werden.
Durch die Verwendung von MnO2 als Paarung mit einem Metall lässt sich erfindungsgemäß eine besonders hohe katalytische Aktivität der gebildeten Katalysator-Oberfläche erreichen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich die katalyti- sehe Aktivität von MnO2, die an sich bekannt ist, durch metallische Anteile an der Oberfläche erhöhen lassen, obwohl insgesamt die zur Verfügung stehende katalytische Oberfläche des MnO2 verringert wird. Dies widerspricht dem an sich zu erwartenden Ergebnis, dass mit einer Verringerung der real zur Verfügung stehenden Oberfläche an MnO2 bei nicht vollständiger Bedeckung der Oberfläche des Bauteils ein hierzu proportionaler Verlust an Katalysatoraktivität einhergeht.
Damit lassen sich vorteilhaft Bauteile mit vergleichsweise effizienten Katalysator-Oberflächen herstellen, indem Anteile der Katalysator-Oberfläche statt mit MnO2 mit einem Metall belegt werden. Die Oberfläche des Bauteils darf also nicht vollständig mit den metallischen Anteilen und den Anteilen des MnO2 bedeckt sein. Es genügt bereits eine partielle Be- Schichtung, um die katalytische Wirkung zu erzielen. Diese ist in Abhängigkeit vom Anwendungsfall so groß zu wählen, dass die zur Verfügung stehende katalytische Oberfläche für den gewünschten Effekt zur Umwandlung beispielsweise von Ozon ausreicht. Der Anteil von MnO2 im Verhältnis zu der durch beide Anteile gebildeten Gesamtfläche soll mindestens 10 %, bevorzugt 30 bis 70 %, insbesondere 50 % betragen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das MnO2 zumindest teilweise in der γ-Modi- fikation vorliegt. Die γ-Modifikation ist ein Gefügeaufbau des durch das MnO2 gebildeten Kristalls, welcher vorteilhaft eine besonders starke katalytische Wirkung zeigt. Allerdings liegt das reale Gefüge des MnO2 im Allgemeinen nicht aus- schließlich in der γ-Modifikation, sondern teilweise auch in anderen Modifikationen vor (z. B. der ß-Modifikation des MnO2) . Allerdings sollte nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung der Gefügeanteil des MnO2 in der γ-Modifikation bei über 50 Gew.-% liegen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil aus dem den metallischen Anteil zur Verfügung stellenden Metall besteht und eine nur teilweise deckende Schicht aus MnO2 auf dieses Bauteil aufgebracht ist. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Bauteile aus Ag oder Ni, die aufgrund ihrer Materialzusammensetzung den einen für die Herstellung der katalytischen Oberfläche erforderlichen Bestandteil bereits zur Verfügung stellen. Auf diesen Bauteilen ist eine Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflä- che vorteilhaft besonders einfach möglich, indem eine nicht deckende Schicht aus dem anderen Anteil der Oberfläche, nämlich MnO2 aufgebracht wird.
Anders herum ist es auch denkbar, dass das Bauteil aus einer den Anteil von MnO2 zur Verfügung stellenden Keramik besteht und eine nur teilweise deckende Schicht aus dem Metall auf dieses Bauteil aufgebracht ist. Beispielsweise könnte das Bauteil als verschleißbeanspruchtes Keramikbauteil ausgelegt sein. Dieses muss auch nicht ausschließlich aus MnO2 beste- hen. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Keramik als Sinterkeramik aus unterschiedlichen Arten von Partikeln hergestellt wird, wobei das Mnθ2 eine Art dieser Partikel darstellt. Zu berücksichtigen ist bei dieser Variante jedoch, dass die Verarbeitungstemperaturen für das Bauteil unterhalb von 535°C liegen müssen, da das Mnθ2 bei dieser Temperatur in MnO umgewandelt wird und damit seine hervorragenden katalyti- schen Eigenschaften in der erfindungsgemäßen Werkstoffpaarung einbüßt .
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil eine Beschichtung aufweist, welche die metallischen Anteile und die Anteile von Mnθ2 der Oberfläche zur Verfügung stellt. Bei dieser Variante können Bauteile verschiedener Materialien beschichtet werden, wobei die erfindungsgemäßen katalytischen Eigenschaften der Schicht vorteilhaft alleine durch die Beschaffenheit der Schicht bzw. der durch diese gebildeten katalytischen Oberfläche hervorgerufen wird. Hierbei muss jeweils für den betreffenden Werk- Stoff des Bauteils ein geeignetes Beschichtungsverfahren ausgewählt werden.
Besonders vorteilhaft kann das Bauteil eine gitterförmige Struktur aufweisen. Dies kann ein Gitter mit einer zwei- dimensionalen Ausrichtung sein, also ein im Wesentlichen flach ausgebildetes Bauteil. Es ist aber auch möglich, dreidimensionale Gitterstrukturen auszubilden, die sich beispielsweise mittels Rapid Prototyping Technologien herstellen lassen. Die gitterförmigen Strukturen bieten den wesentlichen Vorteil, dass einerseits die für die Aufbringung der katalytischen Wirkpartner zur Verfügung stehenden Oberfläche vergrößert wird, andererseits allerdings der durch die Gitterstruktur erzeugte Strömungswiderstand vergleichsweise gering ausfällt. Gitterförmige Bauteile können daher vorteilhaft in Lüftungskanälen angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung beispielsweise bei Dunstabzugshauben, wobei die gitterförmige Struktur deren Auslassgitter für gereinigte Abluft bildet. Diese Anwendung wird bei sogenannten UmIuft- hauben verwendet, bei denen im Gegensatz zu Ablufthauben die angesaugte Luft nicht aus dem Gebäude abgeführt wird, sondern in diesem verbleibt.
Um bei Dunstabzugshauben nach dem Umluftprinzip nicht nur eine Reinigung der Luft von Feststoffen, Aerosolen und
Kleinstpartikeln zu erreichen, wie diese beispielsweise im Kochdunst enthalten sind, sondern auch eine Reinigung von Gerüchen zu erreichen, werden nach dem Stand der Technik Plasmageneratoren verwendet, die eine Hochspannungs-Entla- dungsquelle aufweisen, mit der die Luft mit atomarem Sauerstoff angereichert wird. Dieser bewirkt einen Zersetzungsbzw. Oxidationsprozess, der die für die Geruchsentstehung verantwortlichen Kohlenstoffverbindungen aufspaltet und die Gerüche auf diese Weise eliminiert. Bei diesem Prozess entsteht jedoch auch Ozon, welches durch die erfindungsgemäßen Bauteile auf katalytischem Wege in zweiatomigen Sauerstoff umgewandelt werden kann. Hierdurch können vorteilhaft Aktivkohlefilter eingespart werden, welche der Luftströmung der Dunstabzugshaube nachteilhaft einen vergleichsweise hohen Luftwiderstand entgegensetzen und außerdem in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden müssen.
Als Verfahren zur Herstellung der Schicht auf dem Bauteil kann beispielsweise ein Kaltgasspritzen verwendet werden, wo- bei die katalytische Oberfläche durch Spritzen von MnO2-Par- tikeln erzeugt wird. Dabei bildet das MnO2 nur Anteile der katalytischen Oberfläche, die metallischen Anteile werden beispielsweise durch Ni und/oder Ag gebildet. Die metallischen Anteile können, wie bereits beschrieben, entweder durch das Bauteil selbst zur Verfügung gestellt werden, oder sie werden als Partikel dem Kaltgasstrahl zugegeben, so dass die metallischen Anteile der Oberfläche durch die sich ausbildende Schicht mitgebildet werden.
Insbesondere können auch Mnθ2~Partikel verwendet werden, die zumindest teilweise die γ-Modifikation des MnO2-Gefüges aufweisen. Dabei muss das Kaltgasspritzen mit Betriebstemperaturen auf jeden Fall unterhalb der Zersetzungstemperatur der γ- Modifikation betrieben werden. Diese Temperatur liegt bei
535°C. Prozesstechnisch kann bei der Wahl der Temperatur des Kaltgasstrahls ein gewisser Sicherheitsabstand zu dieser Zersetzungstemperatur eingehalten werden. Dagegen hat es sich gezeigt, dass ein kurzzeitiges Überschreiten dieser Tempera- tur beim Auftreffen der Mnθ2~Partikel auf die Oberfläche gefügetechnisch keine Auswirkungen hat, weil diese Temperaturerhöhung extrem lokal nur im Oberflächenbereich der verarbeiteten Mnθ2~Partikel auftritt. Der jeweilige Kern der Partikel, der in einem unkritischen Temperaturbereich bleibt, ver- mag die γ-Modifikation des Partikelgefüges anscheinend genügend zu stabilisieren, so dass die γ-Modifikation des Mnθ2~ Gefüges auch auf der katalytisch wirksamen Oberfläche der Partikel erhalten bleibt.
Außerdem führt eine Erwärmung des Mnθ2 über 4500C zu einer
Umwandlung des Mnθ2 in Mn2θ3. Dieser Prozess schreitet jedoch nur langsam voran, so dass eine kurzfristige Überschreitung der Temperatur, wie sie beim Kaltgasspritzen auftritt, unschädlich ist.
Um die hervorragenden katalytischen Eigenschaften des Mnθ2 zu erhalten, muss die γ-Modifikation des Gefüges zumindest teilweise in den Mnθ2~Partikeln enthalten sein. Dies kann durch ein Gemisch der MnO2-Partikel mit Manganoxidpartikeln anderer Modifikationen (z. B. ß-Modifikation des Mnθ2) verwirklicht sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Partikel aus Phasengemischen bestehen, so dass die γ-Modifikation des Mnθ2 nicht als einzige in den Partikeln vorliegt.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn als Mnθ2~Partikel Nanopar- tikel mit einem Durchmesser > 100 nm verarbeitet werden. Unter Nanopartikel im Sinne dieser Erfindung sind Partikel zu verstehen, die < 1 μm im Durchmesser sind. Es hat sich näm- lieh überraschenderweise gezeigt, dass sich derart kleine
Partikel aus Mnθ2 mit einem hohen Abscheidewirkungsgrad auf der katalytischen Oberfläche abscheiden lassen. Normalerweise wird demgegenüber davon ausgegangen, dass sich Partikel von weniger als 5 μm durch Kaltgasspritzen nicht abscheiden las- sen, da aufgrund der geringen Masse dieser Partikel die durch den Kaltgasstrahl eingeprägte kinetische Energie zur Abscheidung nicht ausreicht. Warum dies speziell für Mnθ2~Partikel nicht gilt, kann nicht genau begründet werden. Anscheinend sind neben dem Effekt der kinetischen Deformation auch andere Haftungsmechanismen bei dem Schichtbildungsprozess im Spiel.
Die Verarbeitung von Nanopartikeln des Mnθ2 hat den Vorteil, dass mit vergleichsweise wenig Material eine vergleichsweise hohe spezifische Oberfläche und damit eine starke Ausprägung der katalytischen Wirkung erreicht werden kann. Auch die
Grenzlinien zwischen den Anteilen an Mnθ2 und metallischen Anteilen der katalytischen Oberfläche werden auf diese Weise vorteilhaft stark verlängert, was sich ebenfalls auf eine hohe Ausprägung der katalytischen Eigenschaften auswirkt.
Von Vorteil ist es, wenn ein Gemisch aus Mnθ2~Partikeln und metallischen Partikeln für die metallischen Anteile der katalytischen Oberfläche, also Ni und/oder Ag, verwendet wird. Insbesondere kann dann durch geeignete Wahl von Temperatur und Partikelgeschwindigkeit im Kaltgasstrahl der Energieeintrag in die Partikel so gesteuert werden, dass die die kata- lytische Oberfläche bildende spezifische (oder innere) Oberfläche der hergestellten Schicht gesteuert wird. Durch eine höhere Porosität der hergestellten Schicht lässt sich nämlich die innere Oberfläche vergrößern, um eine vergrößerte kataly- tische Oberfläche zur Verfügung zu stellen. Hierdurch kann die keimtötende Wirkung also vergrößert werden. Demgegenüber kann es aber auch von Vorteil sein, wenn die Oberfläche mög- liehst glatt ausgebildet ist, um einer Verschmutzungsneigung entgegenzuwirken .
Neben der Abscheidung durch Kaltgasspritzen sind selbstverständlich auch andere Herstellungsverfahren denkbar. Bei- spielsweise kann die katalytische Oberfläche elektrochemisch hergestellt werden. Dabei wird der metallische Anteil der ka- talytischen Oberfläche als Schicht elektrochemisch aus einem Elektrolyt abgeschieden, in dem Partikel des Mnθ2 suspendiert sind. Diese werden während des elektrochemischen Abschei- deprozesses dann in die sich ausbildende Schicht eingebaut und bilden damit auch einen Anteil an Mnθ2 an der Oberfläche der Schicht.
Ein weiteres Verfahren kann dadurch erhalten werden, dass die Schicht aus einer Mnθ2 zumindest enthaltenden Keramik hergestellt wird. Zu diesem Zweck kann eine Mischung aus präkeramischen Polymeren, die Vorstufen der gewünschten Keramik bilden, und Metallpartikeln in einer Lösung auf das zu beschichtende Bauteil aufgetragen werden. Zunächst wird das Lösungs- mittel verdampft, anschließend kann durch eine Wärmebehandlung, die vorteilhaft unterhalb der Zersetzungstemperatur der γ-Modifikation des MnO2 (535°C) liegt, zur Keramik umgewandelt werden. Besser noch bleibt die Temperatur unter 4500C, um die Bildung von Mn2O3 zu verhindern. Mit den genannten Verfahren lassen sich u. a. auch die folgenden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils erzeugen. So kann die hergestellte Beschichtung eine metallische Lage aufweisen, auf der eine nur teilweise deckende Lage aus MnO2 aufgebracht ist. Die metallische Lage bildet damit den metallischen Anteil der Oberfläche, die an den Stellen, wo die Schicht aus MnO2 nicht deckt, zum Vorschein kommt. Bei dieser Bauteilgestaltung ist vorteilhaft nur ein sehr gerin- ger Anteil an MnO2 notwendig. Es ist hierbei auch denkbar, die oben aufgeführten Fertigungsverfahren in Kombination anzuwenden. Beispielsweise lässt sich die metallische Lage galvanisch herstellen und die nur teilweise deckende Lage aus MnO2 durch Kaltgasspritzen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Beschichtung eine den Anteil von MnO2 zur Verfügung stellende keramische Lage aufweist, auf der eine nur teilweise deckende metallische Lage aufgebracht ist. Diese Gestaltung des Bauteils ist von Bedeutung, wenn die Eigenschaften der keramischen Schicht konstruktiv bedingt für das Bauteil von Vorteil sind (beispielsweise Korrosionsschutz) .
Auch ist es möglich, dass die Beschichtung aus einer den An- teil von MnO2 zur Verfügung stellenden Keramik besteht, in die metallische Partikel eingebettet sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die keramische Schicht verschleißbeansprucht ist und bei fortschreitendem Verschleiß, d. h. Abtrag der Schicht, ihre katalytischen Eigenschaften beibehalten soll. Letzteres wird dadurch gewährleistet, dass beim Abtrag der Keramikschicht immer wieder MnO2-Partikel freigelegt werden, welche den erfindungsgemäßen Anteil an MnO2 an der Oberfläche gewährleisten. Natürlich ist es auch denkbar, dass die Schicht eine metallische Matrix aufweist, in die die Partikel aus Mnθ2 eingebettet sind. Auch für diese Schicht gilt das Argument, dass bei einem Schichtabtrag die katalytischen Eigenschaften derselben erhalten bleiben.
Das Bauteil kann auch so ausgeführt sein, dass dieses oder eine auf dieses aufgebrachte Schicht aus einer von dem metallischen Anteil und vom MnO2 verschiedenen Material besteht und in diesem (bei Verschleißbeanspruchung, s. oben) und/oder auf diesem Partikel vorhanden sind, welche jeweils die metal- lischen Anteile und die Anteile von MnO2 an ihrer Oberfläche (gemeint ist die Oberfläche der Partikel) zur Verfügung stellen. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um maßgeschneiderte Partikel mit katalytischen Eigenschaften, welche universell auf jede Oberfläche oder in jede Matrix eingebracht werden können. Hierbei muss jeweils das zur Einbringung bzw. Aufbringung geeignete Verfahren gewählt werden. Mit dieser Maßnahme lassen sich beispielsweise auch Bauteile aus Kunststoff mit katalytischen Eigenschaften herstellen. Die in die Schicht oder das Bauteil eingebrachten Partikel werden entwe- der bei einer Verschleißbeanspruchung freigelegt bzw. können bei einer porösen Struktur des Bauteils auch an der katalytischen Wirkung beteiligt sein, wenn diese die Wände der Poren bilden .
Zuletzt betrifft die Erfindung eine Verwendung des bereits beschriebenen Bauteils zur Verringerung des Ozon-Gehaltes eines die Katalysator-Oberfläche überstreichenden Gases. Dieses Gas kann vorrangig durch die Erdatmosphäre zur Verfügung gestellt werden. Unter bestimmten Bedingungen ist die Luft mit Ozon angereichert, z. B. an heißen Sommertagen im Innenstadtbereich oder auch in höheren Atmosphärenschichten, die durch den Flugverkehr genutzt werden. Da Ozon gesundheitsschädlich auf den menschlichen Organismus wirkt, kann die Atemluft, die aus der Atmosphäre in den Innenraum von KFZ oder auch in die Fahrgastkabine eines Flugzeugs gepumpt wird, mittels der erfindungsgemäßen Katalysator-Oberfläche weitgehend von Ozon befreit werden. Selbstverständlich sind auch Anwendungen in der chemischen Verfahrenstechnik denkbar.
Die Katalysatoroberfläche kann beispielsweise als Innenauskleidung von Luft führenden Leitungssystemen ausgestaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass durch Vorsehen der Katalysator-Oberfläche kein zusätzliches Strömungshindernis in die Luft führenden Kanäle eingebaut werden muss. Um die zur Verfügung stehende Katalysator-Oberfläche zu vergrößern, kann das Luftführungssystem auch mit einem luftdurchlässigen Einsatz versehen werden, welcher durch die angesaugte Luft umströmt werden muss.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehr- fach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
die Figuren 1 bis 5 unterschiedliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauteils mit verschiedenen katalytischen Oberflächen und
Figur 6 Messkurven der katalytischen Wirkung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Katalysator-Oberfläche im Vergleich zu Referenz-Oberflächen.
Die Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils ein Bauteil 11 mit einer Oberfläche 12, die katalytische Eigenschaften aufweist. Diese Eigenschaften werden dadurch erzeugt, dass die Oberfläche jeweils einen Anteil 13 hat, der aus MnO2 besteht und weiterhin ein metallischer Anteil 14 aus Ag oder Ni zur Verfügung gestellt wird. Das Bauteil könnte beispielsweise ein Luftführungskanal sein, dessen Innenwände die besagte Oberfläche bilden .
Der Aufbau der Bauteile 11, der jeweils im Schnitt dargestellt ist, weist jedoch Unterschiede auf. Das Bauteil gemäß Figur 1 besteht selbst aus Ni oder Ag, so dass dessen Oberfläche 12 automatisch den metallischen Anteil 14 zur Verfü- gung stellt. Auf der Oberfläche 12 sind weiterhin inselartige Bereiche aus Mnθ2 gebildet, die den Anteil 13 zur Verfügung stellen. Diese können beispielsweise als nicht deckende Be- schichtung durch Kaltgasspritzen aufgebracht werden.
Gemäß Figur 2 ist ein Bauteil 11 dargestellt, welches aus einem zur Erzeugung der katalytischen Eigenschaften der Oberfläche ungeeigneten Material besteht. Daher wird auf dieses Bauteil 11 eine metallische Schicht 15 aus Ni oder Ag aufgebracht. Auf dieser Schicht, die den Anteil 14 zur Verfügung stellt, wird Mnθ2 in der zu Figur 1 beschriebenen Weise aufgebracht, so dass auch Anteile 13 entstehen.
In Figur 3 ist dargestellt, dass die metallische Schicht auch mit Partikeln 16 aus Mnθ2 dotiert sein kann, d. h., dass sich diese Partikel in der metallischen Matrix 17 der metallischen Schicht 15 befinden. Insofern bilden sie auch denjenigen Teil der Oberfläche 12, der den Anteil 13 zur Verfügung stellt. Der Rest der Oberfläche bildet den Anteil 14.
In Figur 4 wird die Beschichtung 15 durch eine keramische
Matrix 21 gebildet, wobei diese Poren 22 aufweist, welche die innere Oberfläche im Vergleich zur äußeren Oberfläche 12 des Bauteils vergrößern und so auch einen katalytischen Effekt verstärken. In der keramischen Matrix 21 sind metallische Partikel 23 vorgesehen, die sowohl an der Oberfläche 12 den Anteil 13 zur Verfügung stellen, als auch in den Poren kata- lytisch wirksam werden können. Wie auch bei Figur 2 und Figur 3 kann das Bauteil 11 gemäß Figur 4 aus einem beliebigen Ma- terial bestehen, wobei nur die Haftung der Beschichtung 15 auf dem Bauteil 11 sichergestellt werden muss.
Das Bauteil 11 gemäß Figur 5 weist eine Matrix aus einem beliebigen Material 24, z. B. Kunststoff auf. In dieses sind Partikel 25 eingebracht, deren jeweilige Oberfläche sowohl metallische Anteile aus Ni oder Ag wie auch Anteile an Mnθ2 aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 bestehen die Partikel selbst aus dem Metall und die keramischen Anteile sind auf der Oberfläche der Partikel ausgebildet. Denk- bar ist selbstverständlich auch der umgekehrte Fall. Die Partikel liegen an der Oberfläche 12 des Bauteils 11 teilweise frei, wodurch die metallischen Anteile 14 und die Anteile 13 aus Mnθ2 13 gebildet werden. Weiterhin gibt es Anteile 26 der Oberfläche 26 aus Kunststoff, welche nicht katalytisch wirk- sam sind. Das Verhältnis der genannten Anteile kann direkt durch den Füllgrad von Partikeln 25 in dem Material 24 beein- flusst werden.
In Figur 6 sind die Messungen an einem Bauteil mit unter- schiedlichen katalytischen Oberflächen dargestellt. Hierbei ist auf der Y-Achse die Konzentration an Ozon in stationär strömender Luft aufgetragen (Einheit ppb) . Auf der X-Achse ist die Dauer der stationären Strömung dargestellt.
Der Gehalt an Ozon in der stationär strömenden Luft lag zwischen 980 und 1000 ppb, wie der Kurve 30 zu entnehmen ist. Wird als Katalysator-Oberfläche eine Oberfläche mit Anteilen an Ag und Pd verwendet, so ergibt sich Kurve 31. Es zeigt sich, dass bei einer längeren Nutzungsdauer ca. 90% des in der stationär strömenden Luft enthaltenden Ozons abgebaut werden konnte.
Weiterhin wurde eine flächengleiche Probe aus Silber verwen- det, die vollständig mit MnO bedeckt war (Ag war nicht oberflächenbildender Anteil, sondern lediglich das Material des Bauteils) . Mit dieser Probe ließ sich die Kurve 32 messen, wobei zu erkennen ist, dass sich die Probe bei einem Abbau von 97 % des in der stationär strömenden Luft enthaltenden Ozons eingependelt hat.
Mit der erfindungsgemäßen Katalysator-Oberfläche, bestehend jeweils zur Hälfte der Oberfläche aus Ag und zur Hälfte aus MnO, lässt sich im Vergleich hierzu eine weitere Verbesserung der katalytischen Eigenschaften erreichen. Die Messkurve 33 zeigt, dass mit dieser Katalysator-Oberfläche dauerhaft mehr als 99 % des in der stationär strömenden Luft enthaltenden Ozons abgebaut werden konnte.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil mit einer Katalysator-Oberfläche (12) dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Oberfläche (12) aus metallischen Anteilen (14) und erstere berührenden Anteilen (13) an Mnθ2 besteht .
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Manganoxid zumindest teilweise in der γ-Modifikation des Mnθ2 vorliegt.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in der γ-Modifikation vorliegende Gefügeanteil des Manganoxids bei über 50 Gew.-% liegt.
4. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenanteil der Anteile (13) an Mnθ2 im Verhältnis zur Summe der metallischen Anteile (13) und der Anteile (13) an Mnθ2 bei mindestens 10 %, bevorzugt zwischen 30 und 60 % und insbesondere bei 50 % liegt.
5. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Anteil (13) aus Ag und/oder Ni besteht.
6. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus dem den metallischen Anteil (13) zur Verfügung stellenden Metall besteht und eine nur teilweise deckende Schicht aus MnO2 auf dieses Bauteil aufgebracht ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einer den Anteil (13) von Mnθ2 zur Verfügung stellenden Keramik besteht und eine nur teilweise deckende Schicht aus dem Metall auf dieses Bauteil aufgebracht ist.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses eine Beschichtung (15) aufweist, welche die metallischen Anteile (14) und die Anteile (13) von Mnθ2 der Katalysator-Oberfläche (12) zur Verfügung stellt.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) eine metallische Lage (19) aufweist, auf der eine nur teilweise deckende Lage (20) aus Mnθ2 aufgebracht ist.
10. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) eine den Anteil (13) von Mnθ2 zur Verfügung stellende keramische Lage aufweist, auf der eine nur teilweise deckende metallische Lage aufgebracht ist.
11. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) aus den Anteil (13) von Mnθ2 zur Verfügung stellenden Keramik besteht, in die metallische Par- tikel (23) eingebettet sind.
12. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (15) aus einer metallischen Matrix (17) besteht, in die Partikel (16) aus Mnθ2 eingebettet sind.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses oder eine auf dieses aufgebrachte Schicht aus einer von dem metallischen Anteil (14) und vom MnO2 verschiedenen Material (24) besteht und in diesem und/oder auf diesem Partikel (25) vorhanden sind, welche jeweils die metallischen Anteile (14) und die Anteile (13) von MnO2 an ihrer Oberfläche zur Verfügung stellen.
14. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine gitterförmige Struktur aufweist.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Lüftungsgitter, insbesondere als Auslassgitter einer Dunstabzugshaube oder eines durchströmbaren Plasmagenerators ausgebildet ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer Katalysator-Oberfläche (12) auf einem Bauteil durch Kaltgasspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Katalysator-Oberfläche (12) durch Spritzen von MnO2- Partikeln erzeugt wird, wobei das MnO2 nur Anteile (13) der Katalysator-Oberfläche (12) bildet und außerdem ein metallische Anteile (14) der Katalysator-Oberfläche zur Verfügung gestellt werden, die jeweils an die Anteile (13) des MnO2 angrenzen .
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mnθ2~Partikel verwendet werden, die zumindest teilweise die γ-Modifikation des Mnθ2-Gefüges aufweisen und das Kaltgasspritzen mit Betriebstemperaturen unterhalb der Zersetzungstemperatur von Manganoxid betrieben wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Mnθ2~Partikel Nanopartikel mit einem Durchmesser > 100 nm verarbeitet werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gemisch aus Mnθ2-Partikeln und metallischen Partikeln für die metallischen Anteile (14) der Katalysator-Ober- fläche verwendet wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die die Katalysator-Oberfläche bildende spezifische Oberfläche der hergestellten Schicht durch den Energieeintrag in den Kaltgasstrahl gesteuert wird.
21. Verwendung eines Bauteils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Verringerung des Ozon-Gehaltes eines die Katalysator- Oberfläche überstreichenden Gases.
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