EP2512659A2 - Nitrogen doped carbon nanotubes with metal nanoparticles - Google Patents

Nitrogen doped carbon nanotubes with metal nanoparticles

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Publication number
EP2512659A2
EP2512659A2 EP10787809A EP10787809A EP2512659A2 EP 2512659 A2 EP2512659 A2 EP 2512659A2 EP 10787809 A EP10787809 A EP 10787809A EP 10787809 A EP10787809 A EP 10787809A EP 2512659 A2 EP2512659 A2 EP 2512659A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nitrogen
carbon nanotubes
doped carbon
ncnt
metal nanoparticles
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10787809A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jens Assmann
Aurel Wolf
Leslaw Mleczko
Oliver Felix-Karl SCHLÜTER
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer Intellectual Property GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2512659A2 publication Critical patent/EP2512659A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J21/00Catalysts comprising the elements, oxides, or hydroxides of magnesium, boron, aluminium, carbon, silicon, titanium, zirconium, or hafnium
    • B01J21/18Carbon
    • B01J21/185Carbon nanotubes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42Platinum
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J35/30Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
    • B01J35/391Physical properties of the active metal ingredient
    • B01J35/393Metal or metal oxide crystallite size
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/16Preparation
    • C01B32/162Preparation characterised by catalysts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/168After-treatment
    • C01B32/174Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents

Definitions

  • the invention relates to nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), which are loaded on their surface with metal nanoparticles, and a process for their preparation and their use as a catalyst.
  • NCNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • Carbon nanotubes are well known to those skilled in the art, at least since their description in 1991 by Iijima (S.Iijima, Nature 354, 56-58, 1991). Since then, carbon nanotubes have been comprised of cylindrical bodies comprising carbon with a diameter between 3 and 80 nm and a length which is a multiple, at least 10 times, of the diameter. Also characteristic of these carbon nanotubes are layers of ordered carbon atoms, with the carbon nanotubes usually having a different core in morphology. Synonyms for carbon nanotubes are, for example, "carbon fibrils” or “hollow carbon fibers” or “carbon bamboos” or (in the case of wound structures) "nanoscrolls" or “nanorolls”.
  • carbon nanotubes have a technical importance for the production of composite materials due to their dimensions and their special properties. Substantial further possibilities are in electronics and energy applications, as they are generally characterized by a higher specific conductivity than graphitic carbon, e.g. in the form of Leitruß.
  • the use of carbon nanotubes is particularly advantageous if they are as uniform as possible in terms of the abovementioned properties (diameter, length, etc.).
  • the well-known methods for the production of nitrogen-doped carbon nanotubes are based on the conventional production methods for the classical carbon nanotubes such as arc, laser ablation and catalytic processes.
  • arc and laser ablation processes are characterized in that carbon black, amorphous carbon and high-diameter fibers are formed as by-products in the course of these production processes, with which the resulting carbon nanotubes usually have to be subjected to elaborate after-treatment steps, which is the products obtained from these processes and thus these Makes the process economically unattractive.
  • catalytic processes offer advantages for economical production of carbon nanotubes, since by these processes it is optionally possible to produce a product of high quality in good yield.
  • Such a catalytic process in particular a fluidized bed process, is disclosed in DE 10 2006 017 695 Al.
  • the process disclosed therein comprises an advantageous mode of operation of the fluidized bed, by means of which carbon nanotubes can be produced continuously while supplying new catalyst and removing product.
  • the starting materials used may comprise heteroatoms.
  • a similar process for the targeted, advantageous production of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) is disclosed in WO 2009/080204.
  • NNTs nickel-doped carbon nanotubes (NCNTs) may still contain residues of the catalyst material for their production.
  • residues of the catalyst material may be metal nanoparticles.
  • a method of retrofilling the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) is not disclosed. According to the method according to WO 2009/080204, it is further preferred to remove the residues of the catalyst material.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • the list of possible catalyst materials which may be present in minor proportions in the produced nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) consists of Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn and Mo, and optionally Mg, Al , Si, Zr, Ti, as well as other Mischmetalloxid forming elements known in the art and their salts and oxides.
  • WO 2009/080204 does not disclose in which forms the nitrogen may be contained in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT).
  • That carbon nanotubes without heteroatoms can be subsequently loaded with silver on their surface is disclosed by Yan et al. in "Materials of a high dispersion of silver nanoparticles on surface-functionalized multi-walled carbon nanotubes using an electrostatic technology", in Materials Letters 63 (2009) 1 7 1-173, it is possible to subsequently load carbon nanotubes with silver, by first functionalizing them with oxidizing acids such as nitric acid and sulfuric acid on their surface According to the disclosure of Yan et al Carbon nanotubes with the oxidizing acids on their surfaces functional groups that serve as "anchorages" for the deposited on these silver nanoparticles.
  • the method of loading the oxidized carbon nanotubes consists of the steps of dispersing the oxidized carbon nanotubes in dimethyl sulfoxide, adding silver nitrate and reducing the silver with sodium citrate on the surface of the oxidized carbon nanotubes.
  • the disclosed method of producing the nitrogen-containing carbon nanotubes with platinum or ruthenium metal nanoparticles comprises dissolving salts of platinum and ruthenium in a solution, introducing the nitrogen-containing carbon nanotubes into this solution, and reducing the salts adsorbed on the surface of the nitrogen-containing carbon nanotubes of platinum and ruthenium by a chemical reducing agent.
  • WO 2008/138269 It is not disclosed in WO 2008/138269 that metal nanoparticles other than platinum or ruthenium may be present. Furthermore, WO 2008/138269 does not disclose the nature of the nitrogen in the nitrogen-containing carbon nanotubes.
  • NCNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • a catalyst comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with a proportion of at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen , is present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) and wherein on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60 wt .-% metal nanoparticles of an average particle size in the range of 1 to 10 nm are dissolved can.
  • the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) preferably have a nitrogen content in the range of 0.5% to 18% by weight, and more preferably in the range of 1% to 16% by weight.
  • the nitrogen present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) of the present invention is incorporated in the graphitic layers and is present therein at least in part as pyridinic nitrogen.
  • the nitrogen present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to the invention can also be present as nitro nitrogen and / or as nitroso nitrogen and / or pyrrolic nitrogen and / or amine nitrogen and / or as quaternary nitrogen.
  • proportions of quaternary nitrogen and / or nitro and / or nitroso and / or amine and / or pyrrolic nitrogen are of secondary importance to the present invention in that their presence does not significantly hinder the invention as long as the proportions of pyridinic nitrogen described Nitrogen are present.
  • the proportion of pyridinic nitrogen in the catalyst according to the invention is preferably at least 50 mol%.
  • pyridinic nitrogen describes nitrogen atoms present in a heterocyclic compound consisting of five carbon atoms and the nitrogen atom in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT).
  • NCNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • pyridinic nitrogen refers not only to the aromatic form of the aforementioned heterocyclic compound shown in Figure (I), but also the mono- or polyunsaturated compounds of the same molecular formula.
  • pyridinic nitrogen is also included when such other compounds comprise a heterocyclic compound consisting of five carbon atoms and the nitrogen atom.
  • An example of such pyridinic nitrogen is shown in Figure (II).
  • Figure (II) shows three pyridinic nitrogen atoms that are part of a multicyclic compound.
  • One of the pyridinic nitrogens is part of a non-aromatic heterocyclic compound.
  • quaternary nitrogen denotes nitrogen atoms which are covalently bonded to at least three carbon atoms.
  • such quaternary nitrogen may be part of multicyclic compounds as shown in Figure (III).
  • Pyrrolic nitrogen in the context of the present invention describes nitrogen atoms present in a heterocyclic compound consisting of four carbon atoms and the nitrogen atom in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT).
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • An example of a pyrrole compound in connection with the present invention is shown in Figure (IV):
  • Nitro- or nitroso-nitrogen in the context of the present invention refers to nitrogen atoms in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), which are bound to at least one oxygen atom regardless of their further covalent bonds.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • a special manifestation of such a nitro or nitroso nitrogen is shown in Figure (V), which is intended to explain in particular the distinction from the abovementioned pyridinic nitrogen.
  • the nitrogen is also covalently bonded to at least one oxygen atom.
  • the heterocyclic compound no longer consists of only five carbon atoms and the nitrogen atom, but consists of five carbon atoms, the nitrogen atom and an oxygen atom.
  • nitro or nitroso nitrogen in connection with the present invention also covers the compounds which consist only of nitrogen and oxygen.
  • the appearance of nitro or nitroso nitrogen shown in Figure (V) is also referred to as oxidized pyridinic nitrogen.
  • Amine nitrogen in connection with the present invention denotes nitrogen atoms which are present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) bound to at least two hydrogen atoms and to at most one carbon atom, but which are not bound to oxygen.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • pyridinic nitrogen in the stated proportions is particularly advantageous because it was surprisingly found that in particular the pyridinic nitrogen simplifies a later loading of the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles and that these nitrogen species, especially in the presence of the abovementioned proportions, result in a finely divided dispersion of the metal nanoparticles on the Surface of the nitrogen-doped carbon nanotube leads, which is because of the resulting high specific surface area of the metal nanoparticles of particular advantage.
  • NCNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • this particularly good distribution of the metal nanoparticles on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) means that many catalytically active centers are simultaneously available for a reaction at the catalyst surface. This is particularly advantageous for later use of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to the invention with metal nanoparticles as catalysts in heterogeneous catalytic chemistry.
  • the pyridinic nitrogen groups present anisotropically on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) would have condensation sites for the later metal nanoparticles, especially at the pyridinic nitrogen groups
  • that molecular interaction probably entails the advantageous use of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles over the pure metal nanoparticles as improved catalysts, as is also the subject of the present invention.
  • the metal nanoparticles can be selected from a metal selected from among Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, Al, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd exist.
  • the metal nanoparticles preferably consist of a metal selected from the list consisting of Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
  • the metal nanoparticles consist of a metal selected from the list consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
  • the metal nanoparticles of platinum Pt
  • the mean particle size of the metal nanoparticles is preferably in the range of 2 to 5 nm.
  • the proportion of the metal nanoparticles on the catalyst comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles is preferably from 20 to 50% by weight.
  • Another object of the present invention is a process for the preparation of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles on their surface, characterized in that it comprises at least the steps: a) introducing nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with a Proportion of at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen, in a solution (A) comprising a metal salt, b) reduction of the metal salt in the solution (A) in the presence of the nitrogen-doped Carbon nanotube (NCNT) optionally with addition of a chemical reducing agent (R), and c) separation of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), now loaded with metal nanoparticles from solution (A).
  • the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) used in step a) of the process of the invention are usually those which can be obtained from the processes according to WO 2009/080204.
  • nitrogen-doped carbon nanotubes have at least 50 mole% of pyridinic nitrogen at the nitrogen contained in the nitrogen-doped carbon nanotube (NCNT).
  • the solution (A) of a metal salt into which the nitrogen-doped carbon nanotubes obtained in step a) is introduced is usually a solution of a salt of one of the metals selected from the list consisting of Fe, Ni, Cu, W, V, Cr , Sn, Co, Mn, Mo, Mg, Al, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
  • the metals are selected from the list consisting of Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
  • the metals are particularly preferably selected from the list consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
  • the metal is platinum (Pt).
  • the metal salts are usually salts of the aforementioned metals with a compound selected from the list consisting of nitrate, acetate, chloride, bromide, iodide, sulfate. Preference is given to chloride or nitrate.
  • the metal salts are present in the solution (A) usually in a concentration in the range of 1 to 100 mmol / l, preferably in the range of 5 to 50 mmol / l, particularly preferably in the range of 5 to 15 mmol / l.
  • the solvent of the solution (A) is usually one selected from the list consisting of water, ethylene glycol, monoalcohols, dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene and cyclohexane.
  • the solvents are preferably selected from the list consisting of water, DMSO, ethylene glycol and monoalcohols.
  • the monohydric alcohols are usually methanol or ethanol, as well as their mixtures.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • step b) of the process according to the invention is usually carried out using a chemical reducing agent (R) selected from the list consisting of ethylene glycol, monoalcohols, citrates, borohydrides, formaldehydes, DMSO and hydrazine.
  • R chemical reducing agent
  • the process can be simplified by virtue of the fact that the solvent and the chemical reducing agent (R) are at least partially identical, which is possible by virtue of the fact that He already used nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) already have high levels of pyridinic nitrogen on their surface, which serves, as just described as an active center / adsorption point for the deposition of the metal on its surface.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • This high affinity also eliminates the need for further addition of a reducing agent (R) in many embodiments.
  • reduction in the presence of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to step b) of the process means both the reduction of a metal salt on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), as well as the reduction the metal salt in the solution (A) under in the same solution (A) thereafter taking place adsorption of the metal nanoparticle nuclei formed.
  • a precise distinction is often not possible because, for example, in the case of reduction in the solution with subsequent adsorption on the surface, these processes take place partly simultaneously.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes used
  • the advantageous properties of the nitrogen-doped carbon nanotubes used (NCNT) cause precipitate on the surface thereof finely dispersed metal nanoparticles, so that with the inventive method obtained catalyst
  • the separation according to step c) of the process according to the invention is usually carried out by methods which are generally known to the person skilled in the art. Non-exhaustive example of such separation is about the filtration.
  • Another object of the present invention is the use of nitrogen-doped Kohlenstoffhanorschreibchen (NCNT) with a proportion of at least 0.5 wt .-% of nitrogen, which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen and on which on the surface of the nitrogen doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60% by weight of metal nanoparticles with a particle size of 1 to 10 nm are used as catalysts.
  • NCNT nitrogen-doped Kohlenstoffhanorschreibchen
  • Preferred is a use as catalysts in the electrolysis.
  • NNT nitrogen-doped carbon nanotubes
  • FIG. 1 shows an excerpt of an X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) investigation of the nitrogen-doped carbon nanotubes used in the context of Example 1.
  • ESA X-ray photoelectron spectroscopy
  • FIG. 2 shows a first transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 1.
  • FIG. 3 shows a second transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 1.
  • Example 4 shows a first transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 2.
  • FIG. 5 shows a second transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 2.
  • FIG. 6 shows a transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 3.
  • Example 1 Preparation of a catalyst according to the invention
  • the nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared according to Example 5 of WO 2009/080204 with the only difference that apart from pyridine was used as starting material, the reaction was carried out at a reaction temperature of 700 ° C and the reaction time was limited to 30 minutes ,
  • Residuals of the catalyst used (a catalyst according to Example 1 of WO2009080204 was prepared and used) were removed by washing the resulting nitrogen-doped carbon nanotubes in 2 molar hydrochloric acid for 3 hours under reflux.
  • the resulting nitrogen-doped carbon nanotubes were partially subjected to the test according to Example 4.
  • the nitrogen-doped carbon nanotubes thus obtained were subsequently dispersed in 467 ml of ethylene glycol by placing them in this liquid and stirring them for 10 minutes at 3000 rpm with a SILVERSON stirrer-type stirrer.
  • the dispersion was then cooled to room temperature by simply allowing it to stand under ambient conditions (1013 hPa, 23 ° C) and then passed through a filter paper (Blauband Rundfilter, Schleicher & Schull) and washed once with distilled water, whereby the catalyst of the invention from Dispersion was separated.
  • the resulting, still moist solid was then dried for a further 12 hours in a vacuum oven (pressure - 10 mbar) and 80 ° C.
  • Example 2 Preparation of a first catalyst not according to the invention
  • Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared analogously to Example 1, with the only difference that the reaction was carried out for 120 min. was executed.
  • the nitrogen-doped carbon nanotubes were also partially subjected to the test according to Example 4 prior to dispersion in 467 ml of ethylene glycol.
  • Example 2 An experiment similar to that in Example 1 was carried out with the only difference that instead of the nitrogen-doped carbon nanotubes used there, commercially available carbon nanotubes (BayTubes®, BayTubes) were used.
  • the catalyst obtained was subsequently also subjected to the test according to Example 5.
  • Example 4 X-ray Photoelectron Spectroscopy (ESCA) Examination of the Catalysts According to Example 1 and Example 2 By means of X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA; apparatus: ThermoFisher, ESCALab 220iXL; method: according to the manufacturer) investigation was made for the nitrogen-doped carbon nanotubes as described In the course of Example 1 and Example 2 were obtained, the mass fraction of nitrogen at the nitrogen-doped carbon nanotubes, and determined within the determined mass fraction of nitrogen of the nitrogen-doped carbon nanotubes, the molar fraction of various nitrogen species. The values determined are summarized in Table 1.
  • Example 2 10 39.66 0 6.5 40.54 4.05 6.67 2.58
  • Example 5 Transmission electron microscopic (TEM) examination of the catalysts according to Example 1, Example 2 and Example 3
  • the catalysts obtained according to Examples 1 to 3 were subsequently examined optically for their loading with platinum under the aid of a transmission electron microscope (TEM; P hil ip s TE CNA I 20, with a 200 kV acceleration voltage). 2 and 3, the catalysts of the invention are gem. Example 1 shown. It can be seen that the nitrogen-doped carbon nanotubes are loaded with finely divided particles of platinum dispersed on their surface in a size of about 2 to 5 nm. The loading of the nitrogen-doped Kohlenstoffhanorschreibchen with platinum is about 50 wt .-% platinum, based on the total mass of the catalyst according to the invention. In contrast to FIGS. 2 and 3 of the catalyst according to the invention, FIGS.
  • the particles of platinum are predominantly larger than 10 nm and some of them are also present as agglomerates, whose size even exceeds the diameter of the nitrogen-doped carbon nanotubes. Accordingly, the difference in pyridinic nitrogen in the nitrogen-doped carbon nanotubes alone seems to be crucial for the desired finely divided disp of the metal on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes.

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Abstract

The invention relates to nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), the surface of which is charged with metal nanoparticles, and to a method for the production thereof and use thereof as a catalyst.

Description

Stickstoff-dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen mit Metall-Nanopartikeln  Nitrogen-doped carbon nanotubes with metal nanoparticles
Die Erfindung betrifft Stickstoff-dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT), die an ihrer Oberfläche mit Metall-Nanopartikeln beladen sind, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als Katalysator. Kohlenstoffnanoröhrchen sind mindestens seit ihrer Beschreibung 1991 von Iijima (S. Iijima, Nature 354, 56-58, 1991) dem Fachmann allgemein bekannt. Unter Kohlenstoffnanoröhrchen werden seither zylinderförmige Körper umfassend Kohlenstoff mit einem Durchmesser zwischen 3 und 80 nm und einer Länge, die ein Vielfaches, mindestens 10-faches, des Durchmessers beträgt, zusammengefasst. Weiterhin kennzeichnend für diese Kohlenstoffnanoröhrchen sind Lagen geordneter Kohlenstoffatome, wobei im Regelfall die Kohlenstoffnanoröhrchen einen in der Morphologie unterschiedlichen Kern aufweisen. Synonyme für Kohlenstoffnanoröhrchen sind beispielsweise„carbon fibrils" oder„hollow carbon fibres" oder„carbon bamboos" oder (im Fall von aufgewickelten Strukturen)„Nanoscrolls" oder„Nanorolls". The invention relates to nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), which are loaded on their surface with metal nanoparticles, and a process for their preparation and their use as a catalyst. Carbon nanotubes are well known to those skilled in the art, at least since their description in 1991 by Iijima (S.Iijima, Nature 354, 56-58, 1991). Since then, carbon nanotubes have been comprised of cylindrical bodies comprising carbon with a diameter between 3 and 80 nm and a length which is a multiple, at least 10 times, of the diameter. Also characteristic of these carbon nanotubes are layers of ordered carbon atoms, with the carbon nanotubes usually having a different core in morphology. Synonyms for carbon nanotubes are, for example, "carbon fibrils" or "hollow carbon fibers" or "carbon bamboos" or (in the case of wound structures) "nanoscrolls" or "nanorolls".
Diese Kohlenstoffnanoröhrchen haben aufgrund ihrer Dimensionen und ihrer besonderen Eigenschaften eine technische Bedeutung für die Herstellung von Kompositmaterialien. Wesentliche weitere Möglichkeiten liegen in Elektronik- und Energieanwendungen, da sie sich im Allgemeinen durch eine höhere spezifische Leitfähigkeit als graphitischer Kohlenstoff, z.B. in Form von Leitruß auszeichnen. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen, wenn diese hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften (Durchmesser, Länge etc.) möglichst einheitlich sind. These carbon nanotubes have a technical importance for the production of composite materials due to their dimensions and their special properties. Substantial further possibilities are in electronics and energy applications, as they are generally characterized by a higher specific conductivity than graphitic carbon, e.g. in the form of Leitruß. The use of carbon nanotubes is particularly advantageous if they are as uniform as possible in terms of the abovementioned properties (diameter, length, etc.).
Ebenfalls bekannt ist die Möglichkeit, diese Kohlenstoffnanoröhrchen durch Heteroatome z.B. der fünften Hauptgruppe (wie etwa Stickstoff) während des Verfahrens zur Herstellung der Kohlenstoffnanoröhrchen zu dotieren. Also known is the possibility of these carbon nanotubes by heteroatoms, e.g. of the fifth main group (such as nitrogen) during the carbon nanotube manufacturing process.
Die allgemein bekannten Methoden zur Herstellung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen lehnen sich an die herkömmlichen Herstellmethoden für die klassischen Kohlenstoffnanoröhrchen wie beispielsweise Lichtbogen-, Laserablations- und katalytische Verfahren an. Lichtbogen- und Laserablationsverfahren sind unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen dieser Herstellverfahren Ruß, amorpher Kohlenstoff und Fasern mit hohen Durchmessern als Nebenprodukte gebildet werden, womit die resultierenden Kohlenstoffnanoröhrchen zumeist aufwändigen Nachbehandlungsschritten unterworfen werden müssen, was die aus diesen Verfahren erhaltenen Produkte und somit diese Verfahren wirtschaftlich unattraktiv macht. Katalytische Verfahren bieten hingegen Vorteile für eine wirtschaftliche Produktion von Kohlenstofmanoröhrchen, da durch diese Verfahren gegebenenfalls ein Produkt mit hoher Qualität in guter Ausbeute herstellbar ist. The well-known methods for the production of nitrogen-doped carbon nanotubes are based on the conventional production methods for the classical carbon nanotubes such as arc, laser ablation and catalytic processes. Among other things, arc and laser ablation processes are characterized in that carbon black, amorphous carbon and high-diameter fibers are formed as by-products in the course of these production processes, with which the resulting carbon nanotubes usually have to be subjected to elaborate after-treatment steps, which is the products obtained from these processes and thus these Makes the process economically unattractive. On the other hand, catalytic processes offer advantages for economical production of carbon nanotubes, since by these processes it is optionally possible to produce a product of high quality in good yield.
Ein solches katalytisches Verfahren, insbesondere ein Wirbelschichtverfahren, wird in der DE 10 2006 017 695 AI offenbart. Das dort offenbarte Verfahren umfasst insbesondere eine vorteilhafte Betriebsweise der Wirbelschicht, mittels derer kontinuierlich unter Zuführung neuen Katalysators und Abführung von Produkt Kohlenstofmanoröhrchen hergestellt werden können. Es wird ebenfalls offenbart, dass die verwendeten Edukte Heteroatome umfassen können. Eine Verwendung von Edukten, die eine Stickstoff-Dotierung der Kohlenstofmanoröhrchen zur Folge hätten, wird nicht offenbart. Ein ähnliches Verfahren zur gezielten, vorteilhaften Herstellung von Stickstoff-dotierten Kohlenstofmanoröhrchen (NCNT) wird in der WO 2009/080204 offenbart. In der WO 2009/08204 w i rd o ffe nb art , das s di e m itte l s de s V erfahren s erz eugt en Sti ck st o ff-dotierten Kohlenstofmanoröhrchen (NCNT) noch Reste des Katalysatormaterials zu deren Herstellung enthalten können. Diese Reste des Katalysatormaterials können Metall-Nanopartikel sein. Ein Verfahren zur nachträglichen Beladung der Stickstoff-dotierten Kohlenstofmanoröhrchen (NCNT) wird nicht offenbart. Gemäß dem Verfahren nach der WO 2009/080204 ist es weiter bevorzugt die Reste des Katalysatormaterials zu entfernen. Such a catalytic process, in particular a fluidized bed process, is disclosed in DE 10 2006 017 695 Al. In particular, the process disclosed therein comprises an advantageous mode of operation of the fluidized bed, by means of which carbon nanotubes can be produced continuously while supplying new catalyst and removing product. It is also disclosed that the starting materials used may comprise heteroatoms. A use of starting materials, which would result in a nitrogen doping of the carbon nanotubes, is not disclosed. A similar process for the targeted, advantageous production of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) is disclosed in WO 2009/080204. In WO 2009/08204, it is also known that nickel-doped carbon nanotubes (NCNTs) may still contain residues of the catalyst material for their production. These residues of the catalyst material may be metal nanoparticles. A method of retrofilling the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) is not disclosed. According to the method according to WO 2009/080204, it is further preferred to remove the residues of the catalyst material.
Es ist aber gemäß der WO 2009/080204 stets so, dass nur geringe Anteile des Katalysatormaterials in den erhaltenen Stickstoff-dotierten Kohlenstofmanoröhrchen (NCNT) enthalten sind. Die Liste der möglichen Katalysatormaterialien, die in geringen Anteilen in den hergestellten Stickstoff-dotierten Kohlenstofmanoröhrchen (NCNT) enthalten sein kann besteht aus Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn und Mo, sowie gegebenenfalls Mg, AI, Si, Zr, Ti, sowie weitere dem Fachmann bekannte Mischmetalloxid bildende Elemente und deren Salze und Oxide. However, according to WO 2009/080204, it is always the case that only small amounts of the catalyst material are contained in the resulting nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT). The list of possible catalyst materials which may be present in minor proportions in the produced nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) consists of Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn and Mo, and optionally Mg, Al , Si, Zr, Ti, as well as other Mischmetalloxid forming elements known in the art and their salts and oxides.
Die WO 2009/080204 offenbart des Weiteren nicht, in welchen Formen der Stickstoff in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) enthalten sein kann. Furthermore, WO 2009/080204 does not disclose in which forms the nitrogen may be contained in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT).
Dass Kohlenstoffnanoröhrchen ohne Heteroatome mit Silber an ihrer Oberfläche nachträglich beladen werden können offenbaren Yan et al. in„Production of a high dispersion of silver nanoparticles on surface-functionalized multi-walled carbon nanotubes using an electrostatic te chnique", ers chienen in Materials Letters 63 (2009) 1 7 1-173. Demnach können Kohlenstoffnanoröhrchen mit Silber nachträglich beladen werden, indem diese zunächst mit oxidierenden Säuren, wie Salpetersäure und Schwefelsäure an ihrer Oberfläche funktionalisiert werden. Gemäß der Offenbarung von Yan et al. bilden sich im Zuge des Behandeins der Kohlenstoffnanoröhrchen mit den oxidierenden Säuren an deren Oberflächen funktionelle Gruppen, die als„Ankerplätze" für die auf diesen abzuscheidenden Silbernanopartikeln dienen. That carbon nanotubes without heteroatoms can be subsequently loaded with silver on their surface is disclosed by Yan et al. in "Materials of a high dispersion of silver nanoparticles on surface-functionalized multi-walled carbon nanotubes using an electrostatic technology", in Materials Letters 63 (2009) 1 7 1-173, it is possible to subsequently load carbon nanotubes with silver, by first functionalizing them with oxidizing acids such as nitric acid and sulfuric acid on their surface According to the disclosure of Yan et al Carbon nanotubes with the oxidizing acids on their surfaces functional groups that serve as "anchorages" for the deposited on these silver nanoparticles.
Das Verfahren zum Beladen der oxidierten Kohlenstoffnanoröhrchen gemäß der Offenbarung von Yan et al. besteht aus den Schritten des Dispergierens der oxidierten Kohlenstoffnanoröhrchen in Dimethylsulfoxid, Zugeben von Silbernitrat und Reduktion des Silbers mit Natriumeitrat an der Oberfläche der oxidierten Kohlenstoffnanoröhrchen. The method of loading the oxidized carbon nanotubes according to the disclosure of Yan et al. consists of the steps of dispersing the oxidized carbon nanotubes in dimethyl sulfoxide, adding silver nitrate and reducing the silver with sodium citrate on the surface of the oxidized carbon nanotubes.
Da gemäß Yan et al. die oxidierende Eigenschaft der Säuren maßgeblich ist, ist gemäß der Offenbarung von Yan et al. davon auszugehen ist, dass die Heteroatome Sauerstoff sind und somit keine Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) als Ausgangspunkt für die mit Silber beladenen Kohlenstoffnanoröhrchen offenbart werden. Since, according to Yan et al. the oxidizing property of the acids is relevant, according to the disclosure of Yan et al. It can be assumed that the heteroatoms are oxygen and thus no nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) are disclosed as starting point for the silver-loaded carbon nanotubes.
In der WO 2008/138269 werden Stickstoff enthaltende Kohlenstoffnanoröhrchen mit Platin- oder Rutheniummetallnanopartikeln offenbart, die einen Stickstoffanteil von 0,01 bis 1 ,34, ausgedrückt im Verhältnis von Stickstoff zu Kohlenstoff (CNX mit x = 0,01-1 ,34), aufweisen. Gemäß der WO 2008/138269 haben die Platin- oder Rutheniummetallnanopartikel einen Durchmesser von 0,1 bis 15 nm und sind in einem Anteil von 1 bis 100 % der Gesamtmasse der Stickstoff enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchen vorhanden. WO 2008/138269 discloses nitrogen-containing carbon nanotubes with platinum or ruthenium metal nanoparticles having a nitrogen content of 0.01 to 1.34, expressed in the ratio of nitrogen to carbon (CN X with x = 0.01-1, 34). , exhibit. According to WO 2008/138269, the platinum or ruthenium metal nanoparticles have a diameter of 0.1 to 15 nm and are present in a proportion of 1 to 100% of the total mass of the nitrogen-containing carbon nanotubes.
Das offenbarte Verfahren zur Herstellung der Stickstoff enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchen mit Platin- oder Rutheniummetallnanopartikeln umfasst das Lösen von Salzen des Platins und des Rutheniums in einer Lösung, das Einbringen der Stickstoff enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchen in diese Lösung und das Reduzieren der auf der Oberfläche der Stickstoff enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchen adsorbierten Salze des Platins und des Rutheniums durch ein chemisches Reduktionsmittel. The disclosed method of producing the nitrogen-containing carbon nanotubes with platinum or ruthenium metal nanoparticles comprises dissolving salts of platinum and ruthenium in a solution, introducing the nitrogen-containing carbon nanotubes into this solution, and reducing the salts adsorbed on the surface of the nitrogen-containing carbon nanotubes of platinum and ruthenium by a chemical reducing agent.
In der WO 2008/138269 wird nicht offenbart, dass andere Metall-Nanopartikel als jene des Platins oder des Rutheniums vorhanden sein können. Des Weiteren offenbart auch die WO 2008/138269 nicht die Natur des Stickstoffs in den Stickstoff enthaltenden Kohlenstoffnanoröhrchen. It is not disclosed in WO 2008/138269 that metal nanoparticles other than platinum or ruthenium may be present. Furthermore, WO 2008/138269 does not disclose the nature of the nitrogen in the nitrogen-containing carbon nanotubes.
Nach dem Stand der Technik ist es also ein nur in wenigen Bereichen gelöstes Problem, auf Kohlenstoffnanoröhrchen und insbesondere auf Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) Metall-Nanopartikel nachträglich aufzubringen. According to the prior art, it is therefore only a few areas solved problem, subsequently applied to carbon nanotubes and in particular on nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) metal nanoparticles.
Insbesondere besteht das Problem, Stickstoff-dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, auf denen beliebige Metall-Nanopartikel in großer Menge feinteilig dispergiert aufgebracht sind. Solche feinteilig dispergierten Metall-Nanopartikel auf Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wären insbesondere als Katalysatormaterialien vorteilhaft nutzbar. In particular, there is the problem of providing nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) as well as a process for their preparation on which any metal nanoparticles are applied in finely divided, dispersed form. Such finely dispersed metal nanoparticles on Nitrogen-doped carbon nanotubes would be particularly useful as catalyst materials.
Es wurde nun als erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung überraschend gefunden, dass diese Aufgabe durch einen Katalysator umfassend Stickstoff-dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist, in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorliegt und wobei sich auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) von 2 bis 60 Gew.-% Metall-Nanopartikel einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 1 bis 10 nm befinden, gelöst werden kann. Die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT), haben bevorzugt einen Stickstoffanteil im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 18 Gew.-% und besonders bevorzugt im Bereich von 1 Gew.-% bis 16 Gew.-%. It has now surprisingly been found, as a first subject of the present invention, that this object is achieved by a catalyst comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with a proportion of at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen , is present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) and wherein on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60 wt .-% metal nanoparticles of an average particle size in the range of 1 to 10 nm are dissolved can. The nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) preferably have a nitrogen content in the range of 0.5% to 18% by weight, and more preferably in the range of 1% to 16% by weight.
Der in den erfindungsgemäßen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorhandene Stickstoff ist in den graphitischen Schichten eingebaut und ist darin mindestens teilweise als pyridinischer Stickstoff vorhanden. Der in den erfindungsgemäßen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorhandene Stickstoff kann aber daneben auch als Nitro- Stickstoff und/oder als Nitroso-Stickstoff und/oder pyrrolischer Stickstoff und/oder Amin-Stickstoff und/oder als quaternärer Stickstoff vorliegen. The nitrogen present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) of the present invention is incorporated in the graphitic layers and is present therein at least in part as pyridinic nitrogen. However, the nitrogen present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to the invention can also be present as nitro nitrogen and / or as nitroso nitrogen and / or pyrrolic nitrogen and / or amine nitrogen and / or as quaternary nitrogen.
Die Anteile an quaternärem Stickstoff und/oder Nitro- und/oder Nitroso- und/oder aminem und/oder pyrrolischem Stickstoff sind für die vorliegende Erfindung insofern von nachrangiger Bedeutung, als dass ihr Vorhandensein die Erfindung nicht signifikant behindert, solange die beschriebenen Anteile an pyridinischem Stickstoff vorhanden sind. The proportions of quaternary nitrogen and / or nitro and / or nitroso and / or amine and / or pyrrolic nitrogen are of secondary importance to the present invention in that their presence does not significantly hinder the invention as long as the proportions of pyridinic nitrogen described Nitrogen are present.
Der Anteil an pyridinischem Stickstoff an dem erfindungsgemäßen Katalysator beträgt bevorzugt mindestens 50 mol-%. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung beschreibt„pyridinischer Stickstoff Stickstoffatome, die in einer heterozyklischen Verbindung bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen und dem Stickstoffatom in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorliegen. Ein Beispiel für einen solchen pyridinischen Stickstoff zeigt die nachstehende Abbildung (I). The proportion of pyridinic nitrogen in the catalyst according to the invention is preferably at least 50 mol%. In the context of the present invention, "pyridinic nitrogen describes nitrogen atoms present in a heterocyclic compound consisting of five carbon atoms and the nitrogen atom in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT). An example of such a pyridinic nitrogen is shown in Figure (I) below.
(I) Pyridinischer Stickstoff bezeichnet aber nicht nur die in der Abbildung (I) dargestellte aromatische Form der vorgenannten heterozyklischen Verbindung, sondern auch die einfach oder mehrfach gesättigten Verbindungen gleicher Summenformel. (I) However, pyridinic nitrogen refers not only to the aromatic form of the aforementioned heterocyclic compound shown in Figure (I), but also the mono- or polyunsaturated compounds of the same molecular formula.
Darüber hinaus sind auch andere Verbindungen von der Bezeichnung„pyridinischer Stickstoff mit umfasst, wenn solche anderen Verbindungen eine heterozyklische Verbindung bestehend aus fünf Kohlenstoffatomen und dem Stickstoffatom umfassen. Ein Beispiel für solchen pyridinischen Stickstoff zeigt die Abbildung (II). In addition, other compounds of the term "pyridinic nitrogen are also included when such other compounds comprise a heterocyclic compound consisting of five carbon atoms and the nitrogen atom. An example of such pyridinic nitrogen is shown in Figure (II).
In der Abbildung (II) sind beispielsweise drei pyridinische Stickstoffatome dargestellt, die Bestandteil einer multizyklischen Verbindung sind. Eines der pyridinischen Stickstoffatome ist Bestandteil einer nicht aromatischen heterozyklischen Verbindung. For example, Figure (II) shows three pyridinic nitrogen atoms that are part of a multicyclic compound. One of the pyridinic nitrogens is part of a non-aromatic heterocyclic compound.
Im Unterschied hierzu bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung„quatemärer Stickstoff Stickstoffatome, die kovalent an mindestens drei Kohlenstoffatome gebunden sind. Beispielsweise kann solcher quatemärer Stickstoff Bestandteil von multizyklischen Verbindungen, wie in der Abbildung (III) dargestellt, sein. By contrast, in the context of the present invention, "quaternary nitrogen denotes nitrogen atoms which are covalently bonded to at least three carbon atoms. For example, such quaternary nitrogen may be part of multicyclic compounds as shown in Figure (III).
Pyrrolischer Stickstoff beschreibt im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Stickstoffatome, die in einer heterozyklischen Verbindung bestehend aus vier Kohlenstoffatomen und dem Stickstoffatom in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) vorliegen. Ein Beispiel für eine pyrrolische Verbindung im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zeigt die Abbildung (IV): Pyrrolic nitrogen in the context of the present invention describes nitrogen atoms present in a heterocyclic compound consisting of four carbon atoms and the nitrogen atom in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT). An example of a pyrrole compound in connection with the present invention is shown in Figure (IV):
Auch im Zusammenhang mit dem„pyrrolischen Stickstoff gilt, dass dieser nicht beschränkt auf die heterozyklisch ungesättigte Verbindung gemäß der Abbildung (IV) zu verstehen ist, sondern dass auch gesättigte Verbindungen mit vier Kohlenstoffatomen und einem Stickstoffatom in zyklischer Anordnung hierdurch im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind. Also in the context of "pyrrolic nitrogen, it is understood that this is not to be understood as being limited to the heterocyclic unsaturated compound shown in Figure (IV), but also to saturated compounds having four carbon atoms and a nitrogen atom in cyclic arrangement in the context of the present invention are included.
Nitro- bzw. Nitroso-Stickstoff bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Stickstoffatome in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT), welche ungeachtet ihrer weiteren kovalenten Bindungen an mindestens ein Sauerstoffatom gebunden vorliegen. Eine spezielle Erscheinungsform eines solchen Nitro- bzw. Nitroso-Stickstoffs zeigt die Abbildung (V), die hier insbesondere die Abgrenzung zum vorgenannten pyridinischen Stickstoff erläutern soll. Nitro- or nitroso-nitrogen in the context of the present invention refers to nitrogen atoms in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), which are bound to at least one oxygen atom regardless of their further covalent bonds. A special manifestation of such a nitro or nitroso nitrogen is shown in Figure (V), which is intended to explain in particular the distinction from the abovementioned pyridinic nitrogen.
Aus der Abbildung (V) wird ersichtlich, dass im Gegensatz zu den Verbindungen, die einen „pyridinischen Stickstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen, hier der Stickstoff auch an mindestens ein Sauerstoffatom kovalent gebunden vorliegt. Damit besteht die heterozyklische Verbindung nicht mehr nur aus fünf Kohlenstoffatomen und dem Stickstoffatom, sondern besteht aus fünf Kohlenstoffatomen, dem Stickstoffatom und einem Sauerstoffatom. From the figure (V) it is apparent that in contrast to the compounds which comprise a "pyridinic nitrogen in the context of the present invention, here the nitrogen is also covalently bonded to at least one oxygen atom. Thus, the heterocyclic compound no longer consists of only five carbon atoms and the nitrogen atom, but consists of five carbon atoms, the nitrogen atom and an oxygen atom.
Neben der in der Abbildung (V) dargestellten Verbindung sind durch den Begriff Nitro- bzw. Nitroso-Stickstoff im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch die Verbindungen erfasst, die nur aus Stickstoff und Sauerstoff bestehen. Die in der Abbildung (V) dargestellte Erscheinungsform von Nitro- bzw. Nitroso-Stickstoff wird auch als oxidierter pyridinischer Stickstoff bezeichnet. In addition to the compound shown in Figure (V), the term nitro or nitroso nitrogen in connection with the present invention also covers the compounds which consist only of nitrogen and oxygen. The appearance of nitro or nitroso nitrogen shown in Figure (V) is also referred to as oxidized pyridinic nitrogen.
Amin er Stickstoff bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Stickstoffatome, die in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) an mindestens zwei Wasserstoffatome und an maximal ein Kohlenstoffatom gebunden vorliegen, die aber nicht an Sauerstoff gebunden vorliegen. Amine nitrogen in connection with the present invention denotes nitrogen atoms which are present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) bound to at least two hydrogen atoms and to at most one carbon atom, but which are not bound to oxygen.
Das Vorliegen von pyridinischem Stickstoff in den angegebenen Anteilen ist besonders vorteilhaft, weil überraschend gefunden wurde, dass insbesondere der pyridinische Stickstoff eine spätere Beladung der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit Metall- Nanopartikeln vereinfacht und dass diese Stickstoff-Spezies insbesondere bei Vorliegen der vorgenannten Anteile zu einer feinteiligen Dispersion der Metall-Nanopartikel auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen führt, was wegen der damit resultierenden hohen spezifischen Oberfläche der Metall-Nanopartikel von besonderem Vorteil ist. The presence of pyridinic nitrogen in the stated proportions is particularly advantageous because it was surprisingly found that in particular the pyridinic nitrogen simplifies a later loading of the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles and that these nitrogen species, especially in the presence of the abovementioned proportions, result in a finely divided dispersion of the metal nanoparticles on the Surface of the nitrogen-doped carbon nanotube leads, which is because of the resulting high specific surface area of the metal nanoparticles of particular advantage.
Insbesondere bedingt diese besonders gute Verteilung der Metall-Nanopartikel auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT), dass somit viele katalytisch aktive Zentren zeitgleich für eine Reaktion an der Katalysatoroberfläche zur Verfügung stehen. Dies ist für eine spätere Verwendung der erfindungsgemäßen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit Metall-Nanopartikeln als Katalysatoren in der heterogen katalytischen Chemie besonders vorteilhaft. In particular, this particularly good distribution of the metal nanoparticles on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) means that many catalytically active centers are simultaneously available for a reaction at the catalyst surface. This is particularly advantageous for later use of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to the invention with metal nanoparticles as catalysts in heterogeneous catalytic chemistry.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, scheint es, als würden durch die pyridinischen Stickstoffgruppen, die an der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) anisotrop vorhanden sind, Kondensationszentren für die späteren Metall-Nanopartikel vorhanden sein, wobei insbesondere an den pyridinischen Stickstoffgruppen die Metall-Nanopartikel besonders gut haften, da eine molekulare Wechselwirkung zwischen den Metall-Nanopartikeln und den pyridinis c h en S ti ck s t o ffgrup p en , di e an d er O b e rfl äc h e de r S t i ck s t o ff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorhanden sind, entsteht. Insbesondere jene molekulare Wechselwirkung bedingt wohl die vorteilhafte Verwendung der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit Metall-Nanopartikeln gegenüber den reinen Metall-Nanopartikeln als verbesserte Katalysatoren, wie dies ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Without wishing to be bound by theory, it would seem that the pyridinic nitrogen groups present anisotropically on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) would have condensation sites for the later metal nanoparticles, especially at the pyridinic nitrogen groups The metal nanoparticles adhere particularly well because of a molecular interaction between the metal nanoparticles and the pyridinic backbone groups, that is, at the surface of the backbone-doped carbon nanotubes (NCNT) are created arises. In particular, that molecular interaction probably entails the advantageous use of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles over the pure metal nanoparticles as improved catalysts, as is also the subject of the present invention.
Die Metall-Nanopartikel können aus einem Metall ausgewählt aus der Liste bestehend aus Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, AI, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd bestehen. The metal nanoparticles can be selected from a metal selected from among Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, Al, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd exist.
Bevorzugt bestehen die Metall-Nanopartikel aus einem Metall ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd. The metal nanoparticles preferably consist of a metal selected from the list consisting of Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
Besonders bevorzugt bestehen die Metall-Nanopartikel aus einem Metall ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd. Particularly preferably, the metal nanoparticles consist of a metal selected from the list consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
Ganz besonders bevorzugt bestehen die Metall-Nanopartikel aus Platin (Pt). Die mittlere Partikelgröße der Metall-Nanopartikel liegt bevorzugt im Bereich von 2 bis 5 nm. Most preferably, the metal nanoparticles of platinum (Pt). The mean particle size of the metal nanoparticles is preferably in the range of 2 to 5 nm.
D er Anteil der Metall-Nanopartikel an dem Katalysator umfassend Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit Metall-Nanopartikeln beträgt bevorzugt von 20 bis 50 Gew.- The proportion of the metal nanoparticles on the catalyst comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles is preferably from 20 to 50% by weight.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit an deren Oberfläche befindlichen Metall- Nanopartikeln, gekennzeichnet dadurch, dass es mindestens die Schritte: a) Einbringen von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist, in eine Lösung (A) umfassend ein Metallsalz, b) Reduktion des Metallsalzes in der Lösung (A) in Gegenwart der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) gegebenenfalls unter Zugeben eines chemischen Reduktionsmittels (R), und c) Abtrennen der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT), nun beladen mit Metall-Nanopartikeln aus der Lösung (A) umfasst. Another object of the present invention is a process for the preparation of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles on their surface, characterized in that it comprises at least the steps: a) introducing nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with a Proportion of at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen, in a solution (A) comprising a metal salt, b) reduction of the metal salt in the solution (A) in the presence of the nitrogen-doped Carbon nanotube (NCNT) optionally with addition of a chemical reducing agent (R), and c) separation of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), now loaded with metal nanoparticles from solution (A).
Die gemäß dem Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Stickstoff-dotieren Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) sind üblicherweise jene, wie Sie aus den Verfahren gemäß der WO 2009/080204 erhalten werden können. In einer ersten bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens sind es Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT), die einen Stickstoffanteil im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 1 8 Gew.-% aufweisen. Bevorzugt sind es Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT), die einen Stickstoffanteil im Bereich von 1 Gew.-% bis 16 Gew.-% aufweisen. The nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) used in step a) of the process of the invention are usually those which can be obtained from the processes according to WO 2009/080204. In a first preferred embodiment of the process, there are nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) which have a nitrogen content in the range from 0.5% to 1 8% by weight. Preferably, it is nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), which have a nitrogen content in the range of 1 wt .-% to 16 wt .-%.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind es Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT), die einen Anteil an pyridinischem Stickstoff von mindestens 50 mol-% am in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) enthaltenen Stickstoff aufweisen. In a second preferred embodiment of the process, nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNTs) have at least 50 mole% of pyridinic nitrogen at the nitrogen contained in the nitrogen-doped carbon nanotube (NCNT).
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine vorherige Behandlung der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) vor Reduktion des Metallsalzes in deren Gegenwart im Gegensatz zur Verwendung anderer Kohlenstoffnanoröhrchen nicht notwendig ist. Dies gilt insbesondere wenn die vorstehend beschriebenen bevorzugt verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) eingesetzt werden. Gegenüber dem Stand der Technik stellt dies eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens dar. Dies wird, ohne hierdurch an eine Theorie gebunden zu sein, offenbar dadurch ermöglicht, dass insbesondere die pyridinischen Oberflächenstrukturen der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) im Gegensatz zu den Oberflächenstrukturen von„normalen" Kohlenstoffnanoröhrchen bevorzugte Kondensations-/ Adsorptionsstellen für Metallsalze/Metall bilden. It has surprisingly been found that prior treatment of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) prior to reduction of the metal salt in their presence in the Contrary to the use of other carbon nanotubes is not necessary. This is especially true when the preferred nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) described above are used. Compared to the prior art, this represents a significant simplification of the production process. This, without being bound thereby to a theory, apparently made possible in that in particular the pyridinic surface structures of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) in contrast to the surface structures of " normal "carbon nanotubes are preferred condensation / adsorption sites for metal salts / metal.
Die Lösung (A) eines Metallsalzes, in die die gemäß dem Schritt a) erhaltenen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen eingeleitet werden, ist üblicherweise eine Lösung eines Salzes eines der Metalle ausgewählt aus der Liste bestehend aus Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, AI, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd. The solution (A) of a metal salt into which the nitrogen-doped carbon nanotubes obtained in step a) is introduced is usually a solution of a salt of one of the metals selected from the list consisting of Fe, Ni, Cu, W, V, Cr , Sn, Co, Mn, Mo, Mg, Al, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
Bevorzugt sind die Metalle ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd. Besonders bevorzugt sind die Metalle ausgewählt aus der Liste bestehend aus Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd. Ganz besonders bevorzugt ist das Metall Platin (Pt). Preferably, the metals are selected from the list consisting of Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd. The metals are particularly preferably selected from the list consisting of Ag, Au, Pd, Pt, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd. Most preferably, the metal is platinum (Pt).
Die Metallsalze sind üblicherweise Salze der vorgenannten Metalle mit einer Verbindung ausgewählt aus der Liste bestehend aus Nitrat, Acetat, Chlorid, Bromid, Iodid, Sulfat. Bevorzugt ist Chlorid oder Nitrat. The metal salts are usually salts of the aforementioned metals with a compound selected from the list consisting of nitrate, acetate, chloride, bromide, iodide, sulfate. Preference is given to chloride or nitrate.
Die Metallsalze liegen in der Lösung (A) üblicherweise in einer Konzentration im Bereich von 1 bis 100 mmol/1 vor, bevorzugt im Bereich von 5 bis 50 mmol/1, besonders bevorzugt im Bereich von 5 bis 15 mmol/1. The metal salts are present in the solution (A) usually in a concentration in the range of 1 to 100 mmol / l, preferably in the range of 5 to 50 mmol / l, particularly preferably in the range of 5 to 15 mmol / l.
Das Lösungsmittel der Lösung (A) ist üblicherweise eines ausgewählt aus der Liste bestehend aus Wasser, Ethylenglykol, Monoalkohole, Dimethylsulfoxid (DMSO), Toluol und Cyclohexan. The solvent of the solution (A) is usually one selected from the list consisting of water, ethylene glycol, monoalcohols, dimethyl sulfoxide (DMSO), toluene and cyclohexane.
Bevorzugt sind die Lösungsmittel ausgewählt aus der Liste bestehend aus Wasser, DMSO, Ethylenglykol und Monoalkoholen. The solvents are preferably selected from the list consisting of water, DMSO, ethylene glycol and monoalcohols.
Die Mononalkohole sind üblicherweise Methanol oder Ethanol, sowie deren Gemische. The monohydric alcohols are usually methanol or ethanol, as well as their mixtures.
Durch die Verwendung der besonders vorteilhaften Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit einem hohen Anteil an pyridinischem Stickstoff an ihrer Oberfläche, kann auf die weitere Zugabe von Additiven, etwa zur Kolloidstabilisierung verzichtet werden. Dennoch kann zur weiteren Verbesserung der aus dem Verfahren erhaltenen Katalysatoren die Zugabe solcher Additive, etwa zur Kolloidstabilisierung, vorteilhaft sein. By using the particularly advantageous nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with a high proportion of pyridinic nitrogen on their surface, can be dispensed with the further addition of additives, such as for colloid stabilization. Nevertheless, the Further improvement of the catalysts obtained from the process, the addition of such additives, such as for colloid stabilization, be advantageous.
Die Reduktion gemäß dem Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird üblicherweise unter Verwendung eines chemischen Reduktionsmittels (R) ausgewählt aus der Liste bestehend aus Etyhlenglykol, Monoalkohole, Citrate, Borhydride, Formaldehyde, DMSO und Hydrazin ausgeführt. The reduction according to step b) of the process according to the invention is usually carried out using a chemical reducing agent (R) selected from the list consisting of ethylene glycol, monoalcohols, citrates, borohydrides, formaldehydes, DMSO and hydrazine.
Es ist damit zu erkennen, dass die Menge der vorstehend offenbarten, möglichen Lösungsmittel der Lösung (A) teilweise deckungsgleich mit der Menge der gerade offenbarten möglichen Reduktionsmittel (R) ist. Demnach kann in vielen Fällen auf die weitere Zugabe eines Reduktionsmittels (R) verzichtet werden. Es ist demnach bevorzugt, wenn das chemische Reduktionsmittel (R) und das Lösungsmittel der Lösung (A) mindestens teilweise identisch sind. It will thus be appreciated that the amount of possible solvents of solution (A) disclosed above is in part congruent with the amount of the possible reducing agents (R) just disclosed. Accordingly, in many cases, the further addition of a reducing agent (R) can be dispensed with. It is therefore preferred that the chemical reducing agent (R) and the solvent of the solution (A) are at least partially identical.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass in vielen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verfahren dadurch vereinfacht werden kann, dass das Lösungsmittel und das chemische Reduktionsmittel (R) mindestens teilweise identisch sind, was dadurch möglich ist, dass di e m i t d e m e r fi n dun g s g e m äß e n V e r fah r e n verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) bereits hohe Anteile an pyridinischem Stickstoff auf Ihrer Oberfläche aufweisen, der, wie eben beschrieben als aktives Zentrum /Adsorptionspunkt für die Abscheidung des Metalls auf dessen Oberfläche dient. Diese hohe Affinität macht auch eine weitere Zugabe eines Reduktionsmittels (R) in vielen Ausführungsformen entbehrlich. Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, dass unter Reduktion in Gegenwart der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) gemäß dem Schritt b) des Verfahrens sowohl die Reduktion eines Metallsalzes auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) zu verstehen ist, wie auch die Reduktion des Metallsalzes in der Lösung (A) unter in der gleichen Lösung (A) hiernach stattfindender Adsorption der gebildeten Metall-Nanopartikel-Keime. Eine genaue Unterscheidung ist vielfach nicht möglich, da beispielsweise im Fall der Reduktion in der Lösung mit nachfolgender Adsorption auf der Oberfläche diese Vorgänge teilweise gleichzeitig stattfinden. It has surprisingly been found that in many embodiments of the process according to the invention the process can be simplified by virtue of the fact that the solvent and the chemical reducing agent (R) are at least partially identical, which is possible by virtue of the fact that He already used nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) already have high levels of pyridinic nitrogen on their surface, which serves, as just described as an active center / adsorption point for the deposition of the metal on its surface. This high affinity also eliminates the need for further addition of a reducing agent (R) in many embodiments. From the above, it will be understood that reduction in the presence of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) according to step b) of the process means both the reduction of a metal salt on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), as well as the reduction the metal salt in the solution (A) under in the same solution (A) thereafter taking place adsorption of the metal nanoparticle nuclei formed. A precise distinction is often not possible because, for example, in the case of reduction in the solution with subsequent adsorption on the surface, these processes take place partly simultaneously.
Insbesondere ist aber eine Unterscheidung auch nicht notwendig, da in beiden Fällen insbesondere die vorteilhaften Eigenschaften der verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) dazu führen, dass sich auf der Oberfläche derselben feinteilig dispergierte Metall-Nanopartikel niederschlagen, so dass sich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Katalysator insbesondere durch eine überaus hohe spezifische Oberfläche der Metall-Nanopartikel auszeichnet und wobei eine nachträgliche Versinterung der Metall-Nanopartikel durch die Immobilisation derselben auf der Oberfläche an den vorgenannten Kondensationszentren der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) ebenfalls verhindert oder zumindest stark reduziert wird. Das Abtrennen gemäß dem Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt üblicherweise mit Methoden, wie sie dem Fachmann allgemein bekannt sind. Nicht abschließendes Beispiel für ein solches Abtrennen ist etwa die Filtration. In particular, however, a distinction is also not necessary, since in both cases, in particular the advantageous properties of the nitrogen-doped carbon nanotubes used (NCNT) cause precipitate on the surface thereof finely dispersed metal nanoparticles, so that with the inventive method obtained catalyst In particular, characterized by an extremely high specific surface of the metal nanoparticles and wherein a subsequent sintering of the metal nanoparticles by the immobilization of the same on the surface at the aforementioned condensation centers of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) also prevented or at least greatly reduced. The separation according to step c) of the process according to the invention is usually carried out by methods which are generally known to the person skilled in the art. Non-exhaustive example of such separation is about the filtration.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist und auf denen sich auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) von 2 bis 60 Gew.-% Metall-Nanopartikel einer Partikelgröße von 1 bis 10 nm befinden als Katalysatoren. Another object of the present invention is the use of nitrogen-doped Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) with a proportion of at least 0.5 wt .-% of nitrogen, which is at least 40 mol% pyridinic nitrogen and on which on the surface of the nitrogen doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60% by weight of metal nanoparticles with a particle size of 1 to 10 nm are used as catalysts.
Bevorzugt ist eine Verwendung als Katalysatoren in der Elektrolyse. Preferred is a use as catalysts in the electrolysis.
Im Folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Katalysatoren umfassend Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit Metall-Nanopartikeln anhand einiger B eispiele illustriert, wobei die B eispiele j edoch nicht als Einschränkung des Erfindungsgedankens zu verstehen sind. In the following, the process according to the invention and the catalysts according to the invention comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles are illustrated by means of some examples, the examples, however, not being understood as limiting the inventive idea.
Darüber hinaus wird die Erfindung anhand von Abbildungen näher illustriert, ohne sie jedoch dadurch hierauf zu beschränken. Fig. 1 zeigt einen Auszug einer Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (ESCA) Untersuchung der im Rahmen des Beispiels 1 verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen. Dargestellt ist speziell das N l s Spektrum der im Rahmen des Beispiels 1 verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen im Bereich einer Bindungsenergie [B] von 390 bis 410 eV. Unter dem gemessenen Spektrum (O: schwarze, dicke, schraffierte, durchgezogene Linie) sind die approximierten idealen Messsignale einer pyridinischen Stickstoff-Spezies (A: schwarze, dünne, lang gestrichelte Linie), einer pyrrolischen Stickstoff-Spezies (B : schwarze, dünne, kurz gestrichelte Linie), einer ersten quatemären Stickstoff-Spezies (C: schwarze, dünne durchgezogene Linie), einer zweiten quatemären Stickstoff-Sp ezies (D: graue, dicke durchgezogene Linie), einer Nitrosostickstoff-Spezies bzw. oxidierten pyridinischen Stickstoff Spezies (E: graue, dicke, schraffierte Linie) und einer Nitrostickstoff-Spezies (F: dunkelgraue, dicke durchgezogene Linie) dargestellt. Angegeben sind an der x-Achse auch die jeweiligen Werte der Bindungsenergie (eV) an der für eine bestimmte Stickstoff-Spezies das Messwertmaximum vorliegt. Die Summe der approximierten idealen Messsignale ergibt in Addition eine geglättete Darstellung des gemessenen Spektrums (O). In addition, the invention will be further illustrated with reference to figures, without, however, limiting them thereto. 1 shows an excerpt of an X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) investigation of the nitrogen-doped carbon nanotubes used in the context of Example 1. In particular, the spectrum of the nitrogen-doped carbon nanotubes used in the context of Example 1 in the range of a binding energy [B] of 390 to 410 eV is shown. Below the measured spectrum (O: black, thick, hatched, solid line) are the approximated ideal measurement signals of a pyridinic nitrogen species (A: black, thin, long dashed line), a pyrrole nitrogen species (B: black, thin, short dashed line), a first quaternary nitrogen species (C: black, thin solid line), a second quaternary nitrogen spike (D: gray, thick solid line), a nitroso nitrogen species, and oxidized pyridinic nitrogen species, respectively (E : gray, thick, hatched line) and a nitro nitrogen species (F: dark gray, thick solid line). Also indicated on the x-axis are the respective values of the binding energy (eV) at which the measured value maximum is present for a particular nitrogen species. The sum of Approximated ideal measurement signals result in addition a smooth representation of the measured spectrum (O).
Fig. 2 zeigt eine erste Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Abbildung des Katalysators hergestellt gemäß Beispiel 1. FIG. 2 shows a first transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 1.
Fig. 3 zeigt eine zweite Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Abbildung des Katalysators hergestellt gemäß Beispiel 1. FIG. 3 shows a second transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 1.
Fig. 4 zeigt eine erste Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Abbildung des Katalysators hergestellt gemäß Beispiel 2. 4 shows a first transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 2.
Fig. 5 zeigt eine zweite Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Abbildung des Katalysators hergestellt gemäß Beispiel 2. FIG. 5 shows a second transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 2.
Fig. 6 zeigt eine Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Abbildung des Katalysators hergestellt gemäß Beispiel 3. FIG. 6 shows a transmission electron microscopic (TEM) image of the catalyst prepared according to Example 3.
Beispiele: Examples:
Beispiel 1: Herstellen eines erfindungsgemäßen Katalysators Example 1: Preparation of a catalyst according to the invention
Die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden gemäß dem Beispiel 5 der WO 2009/080204 mit den einzigen Unterschieden, dass abweichend hiervon Pyridin als Edukt verwendet wurde, die Reaktion bei einer Reaktionstemperatur von 700°C ausgeführt wurde und die Reaktionszeit auf 30 Minuten begrenzt wurde, hergestellt. The nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared according to Example 5 of WO 2009/080204 with the only difference that apart from pyridine was used as starting material, the reaction was carried out at a reaction temperature of 700 ° C and the reaction time was limited to 30 minutes ,
Restanteile des verwendeten Katalysators (es wurde ein Katalysator gemäß dem Beispiel 1 der WO2009080204 hergestellt und verwendet) wurden durch Waschen der erhaltenen Stickstoffdotierten Kohlenstoffnanoröhrchen in 2 molarer Salzsäure für 3 Stunden unter Rückfluss entfernt. Residuals of the catalyst used (a catalyst according to Example 1 of WO2009080204 was prepared and used) were removed by washing the resulting nitrogen-doped carbon nanotubes in 2 molar hydrochloric acid for 3 hours under reflux.
Die erhaltenen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden teilweise der Untersuchung gemäß dem Beispiel 4 zugeführt. The resulting nitrogen-doped carbon nanotubes were partially subjected to the test according to Example 4.
Die somit erhaltenen Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden nachfolgend in 467 ml Ethylenglykol dispergiert, indem diese in diese Flüssigkeit gegeben und für 10 Minuten bei 3000 UPM mit einem SILVERSON-Rührer mit Stator-Aufsatz gerührt wurden. The nitrogen-doped carbon nanotubes thus obtained were subsequently dispersed in 467 ml of ethylene glycol by placing them in this liquid and stirring them for 10 minutes at 3000 rpm with a SILVERSON stirrer-type stirrer.
Zu der erhaltenen Dispersion der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden nachfolgend 187 ml einer Silbersalzlösung von 2,5 g Hexachloroplatin(IV)säurehydrat (Firma Umicore) in destilliertem Wasser in einer Geschwindigkeit von etwa 1 ml/min gegeben. Hierbei wurde die Dispersion weiter gerührt. Nach erfolgter Zugabe der Platinsalzlösung wurde mit 1 ,5-molarer NaOH-Lösung in Ethylenglykol ein pH- Wert von 11-12 in der Dispersion eingestellt. To the obtained dispersion of the nitrogen-doped carbon nanotubes were subsequently added 187 ml of a silver salt solution of 2.5 g of hexachloroplatinic acid hydrate (Umicore) in distilled water at a rate of about 1 ml / min. The dispersion was further stirred. After the platinum salt solution had been added, a pH of 11-12 in the dispersion was adjusted with 1, 5-molar NaOH solution in ethylene glycol.
Anschließend wurde die so erhaltene Dispersion in einen 3 -Hals-Kolben überführt und in diesem für 3 Stunden bei etwa 140°C unter Rückfluss und Schutzgasatmosphäre (Argon) zur Reaktion gebracht. Subsequently, the dispersion thus obtained was transferred to a 3-neck flask and reacted therein for 3 hours at about 140 ° C under reflux and inert gas atmosphere (argon).
Die Dispersion wurde hiernach bis zur Raumtemperatur abgekühlt, indem man diese einfach unter Umgebungsbedingungen (1013 hPa, 23 °C) stehen ließ und nachfolgend über ein Filterpapier (Blauband Rundfilter, Schleicher&Schüll) gegeben und einmal mit destilliertem Wasser gewaschen, womit der erfindungsgemäße Katalysator aus der Dispersion abgetrennt wurde. Der erhaltene, noch feuchte Feststoff, wurde hiernach für weitere 12 Stunden im Vakuumtrockenschrank (Druck - 10 mbar) und 80°C getrocknet. The dispersion was then cooled to room temperature by simply allowing it to stand under ambient conditions (1013 hPa, 23 ° C) and then passed through a filter paper (Blauband Rundfilter, Schleicher & Schull) and washed once with distilled water, whereby the catalyst of the invention from Dispersion was separated. The resulting, still moist solid was then dried for a further 12 hours in a vacuum oven (pressure - 10 mbar) and 80 ° C.
Der erfindungsgemäße Katalysator wurde nachfolgend der Untersuchung gemäß dem Beispiel 5 zugeführt. Beispiel 2: Herstellung eines ersten nicht erfindungsgemäßen Katalysators The catalyst according to the invention was subsequently fed to the investigation according to example 5. Example 2: Preparation of a first catalyst not according to the invention
Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen wurden analog zu Beispiel 1 hergestellt, dies mit dem einzigen Unterschied, dass die Reaktion nun für 120 min. ausgeführt wurde. Nitrogen-doped carbon nanotubes were prepared analogously to Example 1, with the only difference that the reaction was carried out for 120 min. was executed.
Die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen wurden ebenfalls vor der Dispersion in 467 ml Ethylenglykol teilweise der Untersuchung gemäß dem Beispiel 4 zugeführt. The nitrogen-doped carbon nanotubes were also partially subjected to the test according to Example 4 prior to dispersion in 467 ml of ethylene glycol.
Hiernach folgte wieder eine Behandlung gleich zu jener gemäß dem Beispiel 1. Der erhaltene Katalysator wurde nachfolgend ebenfalls der Untersuchung gemäß dem Beispiel 5 zugeführt. Thereafter, a treatment similar to that according to Example 1 followed again. The catalyst obtained was subsequently also subjected to the test according to Example 5.
Beispiel 3: Herstellung eines weiteren nicht erfindungsgemäßen Katalysators Example 3: Preparation of another catalyst not according to the invention
Ein Versuch gleich zu jenem in Beispiel 1 wurde durchgeführt, mit dem einzigen Unterschied, dass anstelle der dort verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen nun handelsübliche Kohlenstoffhanoröhrchen (BayTubes®, Fa. BayTubes), verwendet wurden. An experiment similar to that in Example 1 was carried out with the only difference that instead of the nitrogen-doped carbon nanotubes used there, commercially available carbon nanotubes (BayTubes®, BayTubes) were used.
Es folgt, dass ab dem Waschen der Kohlenstoffhanoröhrchen in 2 molarer Salzsäure die Herstellung des Katalysators in gleicher Weise erfolgte. It follows that from the washing of the carbon nanotubes in 2 molar hydrochloric acid, the preparation of the catalyst was carried out in the same way.
Eine Untersuchung gemäß dem Beispiel 4 erfolgte in Ermangelung von Stickstoffbestandteilen in den handelsüblichen Kohlenstoffhanoröhrchen nicht. An investigation according to Example 4 was not carried out in the absence of nitrogen constituents in the commercial carbon nanotubes.
Der erhaltene Katalysator wurde nachfolgend ebenfalls der Untersuchung gemäß dem Beispiel 5 zugeführt. The catalyst obtained was subsequently also subjected to the test according to Example 5.
Beispiel 4: Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (ESCA) Untersuchung der Katalysatoren gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 Mittels Röntgen-Photoelektronenspektroskopischer (ESCA; Gerät: ThermoFisher, ESCALab 220iXL; Methode: nach Angaben des Herstellers) Untersuchung wurde für die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen, wie sie im Zuge des Beispiels 1 und des Beispiels 2 erhalten wurden, der Massenanteil an Stickstoff an den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen, sowie innerhalb des ermittelten Massenanteils an Stickstoff der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen der molare Anteil verschiedener Stickstoff-Spezies ermittelt. Die ermittelten Werte sind in der Tabelle 1 zusammengefasst dargestellt. Example 4: X-ray Photoelectron Spectroscopy (ESCA) Examination of the Catalysts According to Example 1 and Example 2 By means of X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA; apparatus: ThermoFisher, ESCALab 220iXL; method: according to the manufacturer) investigation was made for the nitrogen-doped carbon nanotubes as described In the course of Example 1 and Example 2 were obtained, the mass fraction of nitrogen at the nitrogen-doped carbon nanotubes, and determined within the determined mass fraction of nitrogen of the nitrogen-doped carbon nanotubes, the molar fraction of various nitrogen species. The values determined are summarized in Table 1.
Die Ermittlung der molaren Anteile der verschiedenen Stickstoff-Spezies bzw. des Bindungszustandes der Stickstoff-Spezies erfolgte durch Flächenapproximation unter dem jeweils für die Stickstoff- Spezies kennzeichnenden Bindungsenergiewertes des Nls Spektrum. Messwerte gemäß Beispiel 4 The determination of the molar fractions of the various nitrogen species or the binding state of the nitrogen species was carried out by surface approximation under the respective binding energy value of the N 1 spectrum characteristic of the nitrogen species. Measured values according to Example 4
Probe Pyridin  Sample pyridine
Pyridin Amin Pyrrol Quaternär Quaternär Pyridine Amine Pyrrole Quaternary Quaternary
N-Anteil (oxidiert) NOx N component (oxidized) NOx
N N N N N  N N N N N
[Gew.-%] N+-0 [mol.-%] [% By weight] N + -0 [mol%]
[mol.-%] [mol.-%] [mol.-%] [mol.-%] [mol.-%]  [mol%] [mol%] [mol%] [mol%] [mol%]
[mol.-%]  [Mol .-%]
Bsp.l 7 48,72 0 24,21 10,07 9,71 4,92 2,36 Example 7,72,72 0 24,21 10,07 9,71 4,92 2,36
Bsp.2 10 39,66 0 6,5 40,54 4,05 6,67 2,58 Example 2 10 39.66 0 6.5 40.54 4.05 6.67 2.58
Hierzu wurde von einer Messwertsüberlagerung der einzelnen für die Stickstoff-Spezies kennzeichnenden Messwerte ausgegangen, wobei die resultierenden Anteile mathematisch an das gemessene Spektrum angepasst wurden. Exemplarisch ist dies für das gemessene Spektrum der erfindungsgemäß verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 1 in der Fig. 1 gezeigt. For this purpose, it was assumed that the individual values characteristic of the nitrogen species were superimposed, with the resulting proportions being mathematically adapted to the measured spectrum. This is shown by way of example for the measured spectrum of the nitrogen-doped carbon nanotubes used according to the invention according to Example 1 in FIG.
Aus dem Vergleich der erfindungsgemäß verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 1 mit den nicht erfindungsgemäßen gemäß dem Beispiel 2 verwendeten Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen geht hervor, dass der Anteil an Stickstoff an den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 2 zwar höher ist, als im Falle der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 1, dass aber der molare Anteil der pyridinischen Stickstoff-Spezies in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 1 wiederum größer ist als jener in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gemäß dem Beispiel 2. Umgekehrt wiederum verhält es sich mit den Anteilen des quaternären Stickstoffs. Beispiel 5: Transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Untersuchung der Katalysatoren gemäß Beispiel 1, Beispiel 2 und Beispiel 3 The comparison of the nitrogen-doped carbon nanotubes according to the invention used in Example 1 with the non-inventive nitrogen-doped carbon nanotubes used according to Example 2 shows that the proportion of nitrogen in the nitrogen-doped carbon nanotubes according to Example 2 is higher than in the case of the nitrogen-doped carbon nanotubes according to Example 1, but that the molar proportion of the pyridinic nitrogen species in the nitrogen-doped carbon nanotube according to Example 1 is again greater than that in the nitrogen-doped carbon nanotubes according to Example 2. Conversely, in turn It is with the proportions of quaternary nitrogen. Example 5: Transmission electron microscopic (TEM) examination of the catalysts according to Example 1, Example 2 and Example 3
Die gemäß den Beispielen 1 bis 3 erhaltenen Katalysatoren wurden nachfolgend unter einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM; P h i l ip s T E CNA I 20, mit 200 kV Beschleunigungsspannung) optisch auf ihre Beladung mit Platin hin untersucht. In den Fig. 2 und 3 sind die erfindungsgemäßen Katalysatoren gem. Beispiel 1 dargestellt. Man erkennt, dass die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen mit feinteilig auf ihrer Oberfläche verteilten Partikeln des Platins in einer Größe von etwa 2 bis 5 nm beladen sind. Die Beladung der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen mit Platin beträgt etwa 50 Gew.-% Platin, bezogen auf die Gesamtmasse des erfindungsgemäßen Katalysators. Im Gegensatz zu den Fig. 2 und 3 des erfmdungsgemäßen Katalysators zeigen die Fig. 4 und 5 des ersten nicht erfindungsgemäßen Katalysators, dass es hier nicht zu einer feinteiligen Verteilung von Partikeln des Platins auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen gekommen ist. Die Partikel des Platins sind überwiegend größer als 10 nm und diese liegen zum Teil auch als Agglomerate vor, die in ihrer Größe sogar den Durchmesser der Stickstoff-dotierten Kohlenstoff- nanoröhrchen übertreffen. Demnach scheint alleine der unterschiedliche Anteil an pyridinischem Stickstoff in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen ausschlaggebend für die erwünschte feinteilige Disp ergierung des Metalls auf der Oberfläche der Sticksto ff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen zu sein. The catalysts obtained according to Examples 1 to 3 were subsequently examined optically for their loading with platinum under the aid of a transmission electron microscope (TEM; P hil ip s TE CNA I 20, with a 200 kV acceleration voltage). 2 and 3, the catalysts of the invention are gem. Example 1 shown. It can be seen that the nitrogen-doped carbon nanotubes are loaded with finely divided particles of platinum dispersed on their surface in a size of about 2 to 5 nm. The loading of the nitrogen-doped Kohlenstoffhanoröhrchen with platinum is about 50 wt .-% platinum, based on the total mass of the catalyst according to the invention. In contrast to FIGS. 2 and 3 of the catalyst according to the invention, FIGS. 4 and 5 of the first catalyst not according to the invention show that there has not been a finely divided distribution of particles of platinum on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes. The particles of platinum are predominantly larger than 10 nm and some of them are also present as agglomerates, whose size even exceeds the diameter of the nitrogen-doped carbon nanotubes. Accordingly, the difference in pyridinic nitrogen in the nitrogen-doped carbon nanotubes alone seems to be crucial for the desired finely divided disp of the metal on the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes.
Weiter untermauert wird diese Annahme durch die Ergebnisse der Messung der Katalysatoren gemäß dem Beispiel 3. Diese sind in der Fig. 6 dargestellt. This assumption is further substantiated by the results of the measurement of the catalysts according to Example 3. These are shown in FIG.
Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das in dem Beispiel 1 erfolgreich demonstrierte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Katalysatoren ohne nachträgliche Funktionalisierung der Kohlenstoffnanoröhrchen und ohne den Einsatz von Additiven zur Stabilisierung von Metallnanopartikeln ausführbar ist, wobei aber die Verwendung von Kohlenstoffhanoröhrchen ohne Stickstoffanteil und insbesondere ohne einen Stickstoffanteil in Form pyridinischer Spezies nicht zu der gewünschten hohen Dispersion von Metallnanopartikeln auf den Kohlenstoffhanoröhrchen führt. Die nicht erfindungsgemäßen verwendeten handelsüblichen Kohlenstoffnanoröhrchen bleiben größtenteils unbedeckt und das Platin findet sich vorwiegend in Form von Agglomeraten wieder. These results illustrate that the inventive method successfully demonstrated in Example 1 for preparing the catalysts of the invention without subsequent functionalization of the carbon nanotubes and without the use of additives for the stabilization of metal nanoparticles, but the use of carbon nanotubes without nitrogen and in particular without a nitrogen content in the form of pyridinic species does not result in the desired high dispersion of metal nanoparticles on the carbon nanotubes. The commercial carbon nanotubes not used according to the invention remain largely uncovered and the platinum is found predominantly in the form of agglomerates again.

Claims

Patentansprüche claims
1. Katalysator umfassend Stickstoff-dotierte Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist, in den Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) vorliegt und wobei sich auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) von 2 bis 60 Gew.-% Metall-Nanopartikel einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 1 bis 10 nm befinden. A catalyst comprising nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) in an amount of at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mole% pyridinic nitrogen present in the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) and wherein the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60 wt .-% metal nanoparticles of an average particle size in the range of 1 to 10 nm.
2. Katalysator gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil pyridinischen Stickstoffs mindestens 50 mol-% beträgt. 2. A catalyst according to claim 1, characterized in that the proportion of pyridinic nitrogen is at least 50 mol%.
3. Katalysator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall- Nanopartikel aus einem Metall ausgewählt aus der Liste bestehend aus Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, AI, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn und Cd bestehen. 3. A catalyst according to claim 1 or 2, characterized in that the metal nanoparticles of a metal selected from the list consisting of Fe, Ni, Cu, W, V, Cr, Sn, Co, Mn, Mo, Mg, Al, Si, Zr, Ti, Ru, Pt, Ag, Au, Pd, Rh, Ir, Ta, Nb, Zn and Cd.
4. Katalysator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Platin (Pt) ist. 4. A catalyst according to claim 3, characterized in that the metal is platinum (Pt).
5. Katalysator gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Nanopartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 2 bis 5 nm aufweisen. 5. Catalyst according to one of the preceding claims, characterized in that the metal nanoparticles have an average particle size in the range of 2 to 5 nm.
6. Verfahren zur Herstellung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit an deren Oberfläche befindlichen Metall-Nanopartikeln, gekennzeichnet dadurch, dass es mindestens die Schritte: a) Einbringen von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist, in eine Lösung (A) umfassend ein Metallsalz, b) Reduktion des Metallsalzes in der Lösung (A) in Gegenwart der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT) gegebenenfalls unter Zugeben eines chemischen Reduktionsmittels (R), und c) Abtrennen der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffhanoröhrchen (NCNT), nun beladen mit Metall-Nanopartikeln aus der Lösung (A) umfasst. 6. A process for the preparation of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with metal nanoparticles on their surface, characterized in that it comprises at least the steps of: a) introducing nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) in a proportion of at least 0.5 Wt .-% nitrogen, which is at least 40 mol% pyridine nitrogen, in a solution (A) comprising a metal salt, b) reduction of the metal salt in the solution (A) in the presence of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) optionally under Adding a chemical reducing agent (R), and c) separating the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT), now loaded with metal nanoparticles from solution (A).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff-dotierte Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) einen Stickstoffanteil im Bereich von 0,5 Gew.-% bis 18 Gew.-% aufweisen. 7. The method according to claim 6, characterized in that nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) have a nitrogen content in the range of 0.5 wt .-% to 18 wt .-%.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) einen Anteil an pyridinischem Stickstoff von mindestens8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) a proportion of pyridinic nitrogen of at least
50 mol-% aufweisen. 50 mol%.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das chemische Reduktionsmittel (R) und das Lösungsmittel der Lösung (A) mindestens teilweise identisch sind. 9. The method according to any one of claims 6 to 8, characterized in that the chemical reducing agent (R) and the solvent of the solution (A) are at least partially identical.
10. Verwendung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) mit einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-% Stickstoff, der mindestens zu 40 mol-% pyridinischer Stickstoff ist und auf denen sich auf der Oberfläche der Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen (NCNT) von 2 bis 60 Gew.-% Metall-Nanopartikel einer Partikelgröße von 1 bis 10 nm befinden, als Katalysatoren. 10. The use of nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) with at least 0.5% by weight of nitrogen which is at least 40 mol% of pyridinic nitrogen and on which the surface of the nitrogen-doped carbon nanotubes (NCNT) from 2 to 60 wt .-% metal nanoparticles of a particle size of 1 to 10 nm, as catalysts.
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