EP4340990A1 - Methode zur herstellung mesoporöser übergangsmetallkarbidschichten mit definierter nanostrukturierung sowie deren anwendung in der elektrokatalyse - Google Patents

Methode zur herstellung mesoporöser übergangsmetallkarbidschichten mit definierter nanostrukturierung sowie deren anwendung in der elektrokatalyse

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EP4340990A1
EP4340990A1 EP22728190.4A EP22728190A EP4340990A1 EP 4340990 A1 EP4340990 A1 EP 4340990A1 EP 22728190 A EP22728190 A EP 22728190A EP 4340990 A1 EP4340990 A1 EP 4340990A1
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EP
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oxide
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peo
mesoporous
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Marvin Frisch
Ralph Krähnert
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Technische Universitaet Berlin
Original Assignee
Technische Universitaet Berlin
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    • C01P2006/17—Pore diameter distribution

Definitions

  • the invention relates to a method for producing mesoporous metal carbide layers with a defined nanostructuring, wherein mesoporous metal oxide layers are provided in a first step of the method and the metal oxide layer is brought into contact in a reducing atmosphere—with a carbon source in the atmosphere—in a second step , whereby the temperature is at least 650 °C and the heating rate is between 0.5 - 2 Kelvin per minute.
  • transition metal carbides are described in the prior art, which are distinguished by their extraordinarily high mechanical and thermal stability and their metallic electrical conductivity. Due to these advantageous properties, the transition metal carbides are used, among other things, as heat-resistant materials, as wear-resistant cutting materials and in the field of heterogeneous catalysis or electrocatalysis and in aircraft construction.
  • Transition metal carbides such as tungsten carbides represent promising alternatives to platinum-based electrocatalysts for electrochemical hydrogen generation.
  • WO 2013/137827 discloses mesoporous tungsten carbide nanorods that can be produced from tungsten(VI) oxide nanorods.
  • the powdered tungsten carbide nanorods act as a support material for platinum nanoparticles. Due to the high electrical conductivity and specific surface area of the support material, higher catalytic activities and stability in the hydrogen formation reaction are achieved. Furthermore, it is disclosed that metal carbides with high specific surface areas and high electrical conductivity are advantageous for electrocatalytic applications.
  • WO 2013/137827 discloses a method for synthesizing tungsten carbide nanorods.
  • powdered tungsten oxide (W0 3 ) nanorods are mixed with an organic carbon source in order to obtain a precursor, which (the precursor) is then thermally treated (carbonized) in a reducing atmosphere.
  • Tungsten carbide nanorods form at high temperatures of preferably 900 °C in the form of a mesoporous powder material.
  • the carbon source preferably comprises glucose and the mixing means in particular forming a mixture of tungsten oxide (WO 3 ) nanorods with the glucose, the method further comprising hydrothermally treating the mixture and evaporating the hydrothermally treated mixture prior to carbonizing.
  • Xia et al. (2012) discloses a method for preparing (wormhole-like) mesoporous tungsten carbide/carbon (WC/C) composites. According to the teaching of Xia et al. (2012), three steps in particular are required to produce the WC/C composite materials. First, a solution of PFM resin precursor (phenol-formaldehyde-melamine) and the surfactant triblock copolymer F127 is prepared in ethanol/water as a solvent mixture. Then, a certain amount of an aqueous ATOH (ammonium tungsten oxide hydrate) solution is dispersed in the above solution with vigorous stirring and stabilization of F127 to form a W/O emulsion.
  • PFM resin precursor phenol-formaldehyde-melamine
  • F127 a surfactant triblock copolymer
  • the triblock copolymer template is removed by calcination and tungsten carbide is prepared in situ by carbothermic reduction to give the (wormhole-like) mesoporous WC/C composite.
  • the carbon which acts as a matrix for the composite material, serves to ensure the structural cohesion of the composite or composite material.
  • the PFM resin precursor acts as the source of the carbon.
  • the method according to Xia et al. (2012) has disadvantages in terms of the homogeneity of the structures produced. It is a composite material in which the metal carbide particles, which are about 40 nanometers in size, are surrounded by large amounts of carbon, which results in disadvantages with regard to other applications, e.g. in electrocatalysis. Ko et al.
  • tungsten carbide catalysts discloses a method to prepare mesoporous tungsten carbide catalysts. Pore structures of tungsten carbide nanoplates are provided depending on the reaction temperature used, starting from layered tungsten nitride nanoparticles previously produced.
  • layered tungsten oxide is produced by a hydrothermal process. After the hydrothermal process, the resulting precipitate is cooled to room temperature, washed several times with ethanol and distilled water and then filtered. Tungsten oxide was obtained as a powder after a drying process. The resulting powder is then dispersed with a solvent and contacted with a precious metal (e.g. palladium, Pd).
  • a precious metal e.g. palladium, Pd
  • the teaching of the invention is characterized by the independent patent claims.
  • it relates to a method for producing mesoporous metal carbide layers with a defined nanostructuring, comprising the steps of: a) providing a mesoporous metal oxide layer; b) Bringing the metal oxide layer into contact in a reducing atmosphere with a temperature of at least 650 °C, with a carburizing reaction at a heating rate of between 0.5 and 2 Kelvin per minute forming a mesoporous metal carbide layer, with this metal carbide layer being replaced by the
  • the process steps mentioned have a defined nanostructuring, with a carbon source preferably being present in the atmosphere, in particular methane or ethylene.
  • the minimum temperature for a particularly complete carburizing reaction is approx.
  • Temperature range of the carburizing reaction in the range from approx. 650 °C to approx. 800 °C.
  • one of ordinary skill in the art can determine the optimum temperatures for each by simple routine experimentation.
  • the present invention therefore relates to a method for producing porous transition metal carbide layers with a defined nanostructuring and homogeneous pore structure, starting in particular from mesoporous transition metal oxide layers, by a carburizing reaction at temperatures of in particular at least 650° C., the heating rate being between 0.5 and 2 Kelvin per minute .
  • porous materials can be classified as micro ( ⁇ 2 nm), meso (2-50 nm) and macroporous (>50 nm) depending on their average pore size (diameter).
  • mesoporous materials is particularly important in connection with the invention.
  • nanostructure or nanostructuring are essentially used synonymously. The average person skilled in the art uses these terms to describe the occurrence of (sometimes periodic) features on the size scale of a few to hundreds of nanometers.
  • a nanostructure has a size in the nano range of 10 9 m in at least one dimension.
  • the pores contained in the materials have values for the average diameter in the mesopore range (according to IUPAC).
  • the materials according to the invention are nanostructured materials.
  • the pore structure within the meaning of the invention describes the occurrence of pores with a similar diameter and a similar pore shape.
  • spherical pores are present in particular, which are contracted in the axis perpendicular to the substrate, which preferably results in an elliptical pore shape. The contraction in the axis perpendicular to the substrate is a result of the thermal treatment and the simultaneous removal of the template.
  • carburizing or carburizing reaction describes the conversion of an oxide into a carbide under reducing conditions.
  • a carbonaceous gas or an analogue gas serves as a "carburizing agent” and drives the reaction towards the carbide.
  • the “carburizing agent” can also be referred to as a carbon source.
  • the carbon source for example methane
  • the carbon source is preferably introduced from the outside and contacted with the mesoporous metal oxide layer.
  • the carbon source is preferably gaseous and is therefore present as a gas.
  • the reaction can be actively controlled particularly well with the aid of a gaseous carbon source, which was surprising and was able to be achieved by the inventors through systematic research into the influences of the individual parameters during the production route.
  • the invention is therefore based on the fact that the production method mentioned for mesoporous metal carbide layers enables the phase composition, crystallinity and layer thickness to be set in a targeted manner.
  • phase composition describes the stoichiometry of the produced metal carbide layer.
  • Various (non-)stoichiometric metal carbide compositions can be obtained in the layer, e.g. a mixture of the phases WC and W2C in a ratio of about 1:1.
  • a thin (a few nm) surface oxide layer is formed, which affects the overall composition of the material.
  • the crystallinity of the materials can be changed.
  • the mean crystallite size in the metal carbide layer can be influenced by the temperature of the carburizing reaction.
  • nanocrystalline carbides are preferably formed (starting from nanocrystalline oxides).
  • the crystallites are preferably oriented towards one another and are a few nanometers in size.
  • the layer thickness in connection with the invention relates explicitly to the average diameter of the layer essentially perpendicular to the substrate.
  • the substrate is typically not included in the representation of the layer thickness.
  • the layer thicknesses influence the catalytic activity, for example, and can be varied by adjusting the concentration of the precursor compounds in the reaction solution during the synthesis of the oxide.
  • the layer thickness can be adjusted by changing the drawing speed during dip coating and is also dependent on the substrate used.
  • a homogeneous nanostructuring can be provided by the production method according to the invention, which remains largely intact during the carburizing reaction, in particular in a reducing, methane-containing gas mixture.
  • this succeeds particularly well when the homogeneous nanostructuring is obtained with the aid of mesoporous templated metal oxide layers, which are produced by dip coating.
  • the present method according to the invention therefore represents a significant advance in the production of nanostructured transition metal carbide layers with metallic layer conductivity Nanostructuring based on previously produced mesoporous templated mono or bimetallic transition metal oxide layers.
  • the transition metal oxides and the associated metal carbides are advantageously present in polycrystalline or nanocrystalline form. Different carbide phases are formed depending on the temperature of the carburizing reaction.
  • the invention also covers the production of multi-metallic layers with three or more metals.
  • the mono-, bi-, and/or multi-metallic layers involve the production of carbide layers, which can contain phase fractions of different transition metal carbides, ie, for example, mixtures of WVC x . It is preferably not a matter of non-physical, homogeneously distributed portions of two or more metal carbide phases which form the wall material of the mesoporous layer.
  • the designations of, for example, bimetallic or multimetallic layers are independent of the substrate used.
  • Particularly preferred temperature ranges for porous layers of tungsten carbide are between 700 and 750.degree.
  • temperatures of 700°C are preferred for complete phase transformation. It was particularly surprising that the low heating rate of 0.5 to 2 Kelvin per minute, preferably 0.75 to 1.5 Kelvin per minute, in particular 1 Kelvin per minute, is crucial in order to obtain the desired pore structure.
  • the pore structure is advantageously characterized by a particularly pronounced homogeneity.
  • the homogeneity of the pore structure preferably means that the pores of the pore structure are characterized by an essentially uniform structure, in particular with regard to the size of the pores and/or their distribution.
  • the homogeneity of the metal carbide layer preferably relates to the homogeneity of the pore structure, layer thickness, phase composition and/or crystallinity.
  • the homogeneity of the metal carbide layer preferably means that a substantially identical value or range of values can be achieved for one or more of the properties mentioned.
  • scanning (SEM) and transmission (TEM) electron micrographs enable the estimation of the average pore diameter, the average pore spacing, the average wall thickness and the characterization of the pore shape.
  • the evaluation of representative SEM images indicates a spherical shape of the pores in the plane parallel to the underlying substrate, which appears elliptical in the direction orthogonal to the coated substrate - due to contraction forces during the thermal treatment.
  • the analysis of the SEM images using the so-called Fourier transform technique (FFT) using an image processing program known to those skilled in the art provides the formation of a spherical ring, which indicates a certain degree of local pore ordering in the plane parallel to the substrate, which in turn is the effect of the templating is to be understood.
  • An evaluation of the average pore diameter based on several SEM images provides narrow pore size distributions (approximately Gaussian distribution). Compared to the prior art, the preferred method achieves a significant improvement in homogeneity.
  • Terms such as essentially, approximately etc. preferably describe a tolerance range of less than ⁇ 40%, preferably less than ⁇ 20%, particularly preferably less than ⁇ 10%, even more preferably less than ⁇ 5% and in particular less than ⁇ 1% and always include the exact value. Similarly, preferably describes sizes that are approximately the same. Partially describes preferably at least 5%, more preferably at least 10%, and especially at least 20%, in some cases at least 40%.
  • providing the mesoporous metal oxide layer comprises the following steps: i) providing a metal precursor, a template, a first solvent and a complexing agent, the complexing agent having a carboxy group, the metal precursor containing the template and the complexing agent be dissolved in the first solvent to form metal precursor complexes; ii) coating a substrate with the metal precursor complexes such that a micelle-templated film layer (mesophase) forms on the substrate; iii) thermal treatment of the film layer under an inert gas atmosphere to a templated mesoporous metal oxide.
  • a template preferably designates a substance that is used as a placeholder for a desired pore structure.
  • the pore structure of the metal oxide layer is thus produced in particular using the template.
  • the template is preferably enclosed by the surrounding material, in particular by the metal precursor, and leaves behind a porous structure (pore structure) after removal.
  • the template is preferably removed during the thermal treatment.
  • pore structures are formed with pore sizes that correspond in particular to the size of mesopores. Materials with an ordered pore structure and a monomodal pore size distribution can therefore preferably over so-called templating processes are synthesized.
  • Templates preferably serve as placeholders for the desired pore shape.
  • a solvent preferably designates a substance that is used to dissolve and dilute another substance without a chemical reaction occurring (the dissolving process), i. H. between the solvent and the substance to be dissolved.
  • the first solvent is preferably used to dissolve the metal precursor, the template and the complexing agent.
  • micelle-templated film layer preferably means that a film layer has been obtained using a micelle-forming template to form the pores, in particular the pore structure.
  • Micelles mean preferably assembled molecular complexes (aggregates) comprising amphiphilic molecules (surfactants). Depending on the solvent (mixture) used and the concentration of the surfactant, the shape of the micelles can vary (e.g. spherical, rod-shaped, lamellar, etc.) and can be specifically adjusted.
  • the film layer preferably means a layer that has a micro and/or nano structure. In particular, the film layer is characterized by a low layer thickness in the range of about 30-2000 nm. Preferably the film layer is a thin layer.
  • An inert gas atmosphere preferably means that an atmosphere is present and/or provided which contains at least one inert gas.
  • an inert gas atmosphere thus comprises the provision of at least one inert gas.
  • the thermal treatment of the film layer under an inert gas atmosphere thus means in particular the thermal treatment of the film layer, with at least one inert gas being present during the thermal treatment.
  • the film layer in particular is thus exposed to at least one inert gas during the thermal treatment.
  • a templated mesoporous metal oxide preferably means a metal oxide which has obtained its mesoporous structure (and thus in particular the mesopores) using a template.
  • the preferred provision of the nanocrystalline transition metal oxide layer with mesoporous-templated structuring is preferably carried out in a defined ternary gas mixture while maintaining the mesoporous structures in a corresponding carbide layer.
  • the nanocrystalline oxide particles of the porous wall material catalyze the conversion to the carbide, as a result of which low temperatures in the carburizing reaction are sufficient for a preferably complete volume conversion.
  • very defined transition metal carbide layers with a high pore arrangement and specific surface area can be produced.
  • the high pore arrangement describes in particular a regular pore arrangement.
  • regular pore arrangement is known to the average person skilled in the art.
  • the terms high pore arrangement and regular pore arrangement are used synonymously within the meaning of the invention.
  • the regular arrangement of the pores is the result of micelle templating during the synthesis of the layer.
  • a replica of the deposited mesophase forms, which is characterized by the fact that the average pore-to-pore distance is in the range of a few nanometers and hardly varies.
  • these properties describe the defined layers.
  • the high or regular pore arrangement can be found over several centimeters to (theoretically) even meters in the plane parallel to the substrate.
  • the specific surface area in the context of the invention is defined in particular by the ratio of surface area in m 2 to the weight or mass of the material.
  • a high specific surface area thus implies the inner surface of a material, not the outer, which is easy to see.
  • the term pore arrangement is characterized in DE 102012 212237 A1 or in WO 2011 048 149. This prior art also discloses which parameters have proven successful with regard to the pore arrangement or the surfaces.
  • the metal oxide layer is brought into contact in the reducing atmosphere for between 30 minutes and 10 hours. Depending on the metal, this period of time is sufficient to achieve conversion to the desired transition metal carbide layers from the transition metal oxide layers provided. It was completely surprising that this period of time is sufficient to carry out the complete phase transformation at the preferred low temperatures.
  • the reducing atmosphere comprises a ternary gas mixture, preferably argon, hydrogen, ethane, ethylene, CO, CO/CO2 and/or methane, with a ratio of 5 to 7:1 between methane and hydrogen is present.
  • the ratio of hydrogen and methane is particularly preferably 6:1. Surprisingly, the complete phase transformation to carbide is ensured by the preferred ternary gas mixture. It was completely surprising that this gas mixture leads to a particularly strong adhesion of the oxide but especially the carbide layers for very different substrates. In particular, the use of methane or hydrogen in the preferred ratio leads to a surprisingly good yield of mesoporous transition metal carbide layers that have a defined nanostructuring.
  • the metal precursor comprises a metal and/or a transition metal, so that the metal oxide is a transition metal oxide and the metal carbide is a transition metal carbide. Bimetallic compounds such as VW-Cx or Ni-W-Cx are also preferred.
  • the metal precursor is a metal and/or transition metal selected from the group consisting of scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium , molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, lanthanum, cadmium, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium, osmium, iridium, platinum and/or gold.
  • transition metal selected from the group consisting of scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc, yttrium, zirconium, niobium , molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium, palladium, silver, lanthanum, cadmium, hafnium, tantalum, tungsten, rhenium,
  • a metal precursor in chemistry, is known as a precursor of a compound that participates in a chemical reaction or chemical reaction sequence (sequence of reactions) that produces another compound.
  • a metal precursor thus designates a metal or a transition metal which is used in preferred embodiments of the method and serves to provide the mesoporous metal carbide layer.
  • the metal precursor serves to provide the metal of the metal oxide layer.
  • a transition metal in the context of the invention includes chemical elements with atomic numbers from 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80 and 89 to 112. Since these elements are all metals, the term "transition metal" is clear to the person of ordinary skill in the art.
  • the complexing agent or complexing agents comprise mono-, di- or tricarboxylic acids, amino acids and/or ethylenediamine teracetic acid.
  • the complexing agents are anions of acids, since these can form a coordination compound with the metal cations.
  • a complexing agent preferably refers to a chemical compound that can form a complex with certain central atoms.
  • a complexing agent comprises anions with lone pairs of electrons which form coordination compounds with metal ions or metal atoms, in particular with the metal ions or metal atoms of the metal precursor.
  • Porous oxide layers are known in the prior art (DE 102012 212 237 A1). Surprisingly, it has been shown that the preferred complexing agents are particularly advantageously suitable for providing the mesoporous metal oxide layers.
  • the template forms micelle and/or lamellar structures and the template is an amphiphilic polymer, preferably an amphiphilic block polymer.
  • the amphiphilic block copolymer is particularly preferably selected from a group comprising polyethylene oxide block polybutadiene block polyethylene oxide (PEO-PB-PEO), polyethylene oxide block polypropylene oxide block polyethylene oxide (PEO-PPO-PEO), polypropylene oxide block polyethylene oxide -block polypropylene oxide (PPO-PEO-PPO), polyethylene oxide block polyisobutylene block polyethylene oxide (PEO-PIB-PEO), polyethylene block polyethylene oxide (PE-PEO), polyisobutylene block polyethylene oxide (PIB-PEO) and poly(ethylene-co-butylene)-block-poly(ethylene oxide) (PEB-PEO), polystyrene-block-poly(4-vinylpyridine) (PS-P4VP) or mixtures of these, preferably polyethylene oxide-block-polybutadiene-block-polyethylene oxide (PEO-PB-PEO).
  • PEO-PEO polyethylene oxide block polypropylene oxide block poly
  • the solvent used is an agent comprising C1-C4 alcohol, C2-C4 ester, C2-C4 ether, formamide, acetonitrile, acetone, tetrahydrofuran, benzyl, toluene, dimethyl sulfoxide, dichloromethane, Chloroform, methanol, ethanol, water or mixtures thereof are used.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the substrate is applied by dip coating, knife coating, drop coating, curtain coating, rotary coating and/or spray coating.
  • step i) of the method of providing the mesoporous metal oxide layers is particularly preferably carried out with dip coating.
  • the other coating methods mentioned are also preferred.
  • particularly good results are achieved when the retraction speed is in the range from 1 to 500 mm per minute and/or the temperature during coating is between 10 and 50° C. and/or the drying time is range from 0.1 minute to 2 hours. It is particularly preferred if the atmospheric humidity is between 10 and 60%.
  • the metal oxide is formed at a temperature between 350 and 650° C. in the reducing gas mixture.
  • the metal oxide can preferably be provided via a process which comprises the steps i), ii) and iii) mentioned.
  • step iii) The thermal treatment of the film layer under an inert gas atmosphere to form a templated mesoporous metal oxide (step iii)) can be carried out at relatively low temperatures between 350 and 650.degree. It was surprising that this temperature range for the thermal treatment of the film layer leads to a mesoporous metal oxide layer which can then be converted particularly well into a mesoporous metal carbide layer using the method according to the invention.
  • the substrate on which the coating can take place is selected from the group consisting of silicon, silicon dioxide, silicon carbide, boron carbide, steel, graphite, graphene, glassy carbon, gold, silver, platinum, copper, nickel, aluminum, Titanium and/or alloys thereof and/or temperature-stable polymers, plastics and/or membranes, the substrate preferably being a wafer.
  • expanded metals or metal foams can also be coated.
  • the invention relates to a metal carbide layer that was produced using the method according to the invention.
  • the metal carbide layer is characterized by a high pore order.
  • the metal carbide layers within the meaning of the invention are macroscopically free of cracks and homogeneous and have very good mono- or bimetallic properties.
  • the metal carbide layers have exceptionally good and surprising physical properties, such as the defined pore structure in connection with their high electrical conductivity and mechanical stability (hardness).
  • the transition metal carbide layers in the sense of the invention have a large number of advantageous properties which cannot be found in this combination in the prior art. Even if the production of numerous transition metal carbides, preferably in the form of polycrystalline powder, is sufficiently disclosed, the particularly high thermodynamic stability of the transition metal carbide layers according to the invention is particularly advantageous. In addition, many transition metal carbides of the prior art have only insufficient porous nanostructuring.
  • the teaching of the invention in particular the provision of the metal carbide layer with a defined structure, enables the formation of macroscopically crack-free layers which have very small variances in their properties.
  • the average pore diameter varies by less than 20%.
  • a three-dimensional linked pore system forms for all layers. This is crucial for the Use in catalysis and other preferred applications.
  • the layer thickness can be set precisely and hardly varies over several centimeters on the selected substrate.
  • the metal carbide is characterized in that the metal carbide layer has pores, it being possible for the pores to be mesoporous and/or macroporous, with the pores preferably being distributed homogeneously.
  • the metal carbide layers according to the invention have in particular mesopores between 2 and 50 nm.
  • macropores can also be produced. It was completely surprising that the mean diameter of the pores can be adjusted well by varying the polymer template. The average distance of a pore to a neighboring pore can be adjusted very well by adjusting the molar ratios of template and metal precursors. This changes the wall thickness of the metal oxide or metal carbide.
  • the pores are preferably distributed homogeneously.
  • the metal carbide is characterized in that the metal carbide layer is coated with a further pore-conforming layer, in particular NiO.
  • a pore-conforming layer preferably denotes a continuous layer covering the entire inner and outer accessible pore wall surface with an adjustable layer thickness and homogeneous material composition.
  • the average layer thickness of this uniform surface layer is preferably in the range from a few to a few nanometers.
  • the entire pore system which preferably has a three-dimensional structure, is surface-modified using a suitable method.
  • the preferentially deposited layer consequently reduces the average pore diameter in the resulting surface-modified carrier material, the reduction in pore diameter preferably being in the range of a few nanometers to Angstroms.
  • the term "conformal" means in particular the preservation of the geometric structure of the surface of the porous carrier material. In this context, for example, the pore shape remains essentially unchanged.
  • the metal carbide layers obtained with the method according to the invention are used as catalysts or catalyst supports as compound semiconductors in photovoltaics, electrocatalysis or photo(electro)catalysis in medical technology as energy storage devices as magnetic data storage devices, as abrasives in material processing and/or used as a carrier material for abrasives and/or lubricants.
  • the invention preferably relates to a metal carbide, which is produced with a preferred method, characterized in that the metal carbide layer with a another pore-conforming layer is coated, in particular NiO, and the metal carbide layer is then used as a catalyst or catalyst carrier, as a compound semiconductor in photovoltaics, electrocatalysis or photo(electro)catalysis, in medical technology, as an energy storage device, as a magnetic data storage device, as an abrasive in material processing and/or used as a carrier material for abrasives and/or lubricants.
  • the preferred metal carbide layer is particularly well suited, especially after coating the pore-conform layer (particularly using atomic layer deposition, the preferred coating of the pore-conform layer being a surface modification), to be used as an electrode in water electrolysis.
  • Figure 1 shows schematically the production route used for the synthesis of mesoporous transition metal oxide or carbide layers using the example of tungsten oxide or carbide.
  • Figures 2-4 show scanning electron micrographs of the manufactured tungsten oxide or carbide layers in a plan view magnified 100,000 times on a silicon wafer as the substrate.
  • Figure 5 shows the results of the X-ray diffractometric analysis of the mesoporous tungsten oxide and carbide layers under glaring incidence (Gl- XRD) measured with monochromatic Cu-K a radiation with a wavelength of 1.54 ⁇ on silicon substrates.
  • Figure 6 shows the results of an electrocatalytic test measurement (alkaline oxygen formation reaction, OER) compared to reference systems before and after the deposition of catalytically active species.
  • OER alkaline oxygen formation reaction
  • Figures 1 to 6 show the production of macroscopically crack-free, homogeneous mono- or bimetallic transition metal carbide layers with a defined pore structure on suitable substrates.
  • Metal carbide layers are characterized by their excellent physical properties, such as high electrical conductivity and mechanical stability (hardness) and are superior to metal oxide layers.
  • the production of numerous transition metal carbides, preferably in the form of polycrystalline powders, is sufficiently disclosed.
  • the high thermodynamic stability of the metal oxide phases requires very high temperatures for the phase transformation to carbide for the majority of metals. This leads to an irreversible loss of the porous nanostructuring of the materials.
  • porous, nanostructured, macroscopically crack-free transition metal carbide layers can now be produced from the associated mesoporous oxide via a carburizing reaction.
  • bimetallic oxides or carbides can be produced by adding suitable transition metal precursors to the synthesis solution.
  • a special method was established for the production of the mesoporous templated transition metal oxides. This is characterized by the addition of a stabilizing, carbon-containing, anionic ligand, for example citrate, to the mono- or bi-metal-containing precursor solution in a suitable solvent, preferably ethanol.
  • the solutions are characterized by sufficient stability and resistance to hydrolysis and precipitation reactions and enable the production of homogeneous, macroscopically crack-free porous films with a defined structure by a subsequent dip coating process with subsequent thermal treatment under inert conditions.
  • the pore-forming template used decomposes almost completely through oxidation, which is additionally catalyzed by the neighboring Lewis acidic metal cations.
  • mesoporous templated structures can be produced in this way.
  • the mechanical or morphological stability of these mono- or bimetallic transition metal oxide films is sufficiently high to form a mesoporous transition metal carbide layer in a subsequent carburizing reaction under reductive conditions without irreversible loss of the pore structure or order or macroscopic cracking occurring.
  • the transition metal carbide layers produced are suitable, for example, as substrates in electrocatalysis.
  • the NiO-coated tungsten carbide showed no appreciable decrease in catalytic activity over 150 cyclic voltammograms in 0.1 M KOH as the electrolyte.
  • a comparable loading of catalytically active NiO significantly higher current densities could be obtained compared to WO x coated with NiO.
  • the investigations show the applicability of porous transition metal carbides as electrically conductive carrier materials for electrocatalysis.
  • Figure 1 Representation of the synthesis scheme used for the production of mesoporous templated transition metal oxide or transition metal carbide layers using the example of tungsten oxide or tungsten carbide layers.
  • the addition of citrate as a stabilizing ligand of the metallic precursor compound is shown as an example.
  • the temperature of the carburizing reaction in the last step is preferably between 700 and 750°C.
  • Figure 2 Scanning electron micrograph (top view) of a prepared mesoporous templated WO x film on a silicon wafer as substrate.
  • porous W C film via carburization reaction for 6 h at 700 °C on a silicon wafer as substrate.
  • porous WC/WC film via carburizing reaction for 6 h at 750 °C on a silicon wafer as substrate.
  • Reference patterns WC (dark gray bars) and WC (light gray bars).
  • Figure 6 Electrocatalytic measurements (50th CV) of the oxygen evolution reaction (OER) in a rotating disk electrode setup in 0.1 M KOH and 25 °C in I ⁇ l2-saturated electrolyte. Measurements of prepared mesoporous WC x layers via the carburization reaction for 6 h at 700 °C before (dotted graph) and after (solid graph) the deposition of catalytically active species are shown. This was done, for example, by a NiO-ALD. All films examined were produced and measured on a polished titanium sheet as substrate. As references, mesoporous templated NiO x films (dash-dot) were produced and their OER activity was investigated. The higher catalytic activity of the coated WC x mesoporous support is demonstrated by comparing that with a similar amount of NiO-coated WO x mesoporous (dashed graph).
  • Tungsten(VI) chloride (>99%, for analysis) was obtained from Merck.
  • Citric acid >99.5% p.a., anhydrous was purchased from Roth.
  • Ethanol >99.9% absolute was purchased from VWR. All chemicals were used without further purification.
  • the films were prepared by dip-coating substrates at a withdrawal speed of 300 mm/min under a controlled atmosphere (25°C, 40% relative humidity). The films were then dried for at least 5 minutes. The films were treated in a tube furnace at 500°C for 5 h under a nitrogen atmosphere followed by cooling to room temperature.
  • the produced oxide layers were treated for 6 h at 700 °C in a ternary gas mixture of CHV ⁇ /Ar at a heating rate of 1 K/min.
  • the ratio of CH4 to H2 was set as 1:6.
  • the total gas flow was 150 mL/min.
  • the films were passivated on the surface using a thin oxide layer. For this purpose, a mixture of 1:1 N2 to air was introduced into the tube furnace.
  • TEM images were taken with an FEI Tecnai G 2 20 S-TWIN at 200 kV acceleration voltage of films that were partially scraped off the substrates and transferred to a carbon-coated copper mesh.
  • the SEM images were taken with a JEOL 7401 F with an acceleration voltage of 10 kV and a working distance of 4 mm.
  • the layer thicknesses were measured in cross section.
  • Image J, version 1.39u, (http://rsbweb.nih.gov/ij) was used to determine the pore diameter and the layer thickness.
  • the Raman spectra were recorded with a LabRam HR 800 instrument (Horiba Jobin Yvon) coupled to a BX41 microscope (Olympus).
  • the system is equipped with a HeNe laser with a wavelength of 633 nm and a 300 mm -1 grating.
  • XRD images were taken with a Bruker D8 Advance (Cu-K c radiation) at a grazing incidence angle of 1°. The reflections were mapped using PDFMaintEx Library.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mesoporöser Metallkarbidschichten mit definierter Nanostrukturierung, wobei in einem ersten Schritt des Verfahrens mesoporöse Metalloxidschichten bereitgestellt werden und in einem zweiten Schritt ein In-Kontakt-bringen der Metalloxidschicht in einer reduzierenden Atmosphäre – mit einer Kohlenstoffquelle in der Atmosphäre - erfolgt, wobei die Temperatur mindestens 650 °C beträgt und die Aufheizrate zwischen 0,5 – 2 Kelvin pro Minute liegt.

Description

Methode zur Herstellung mesoporöser Übergangsmetallkarbidschichten mit definierter Nanostrukturierung sowie deren Anwendung in der Elektrokatalyse
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mesoporöser Metallkarbidschichten mit definierter Nanostrukturierung, wobei in einem ersten Schritt des Verfahrens mesoporöse Metalloxidschichten bereitgestellt werden und in einem zweiten Schritt ein In-Kontakt-bringen der Metalloxidschicht in einer reduzierenden Atmosphäre - mit einer Kohlenstoffquelle in der Atmosphäre - erfolgt, wobei die Temperatur mindestens 650 °C beträgt und die Aufheizrate zwischen 0,5 - 2 Kelvin pro Minute liegt.
Hintergrund und Stand der Technik
Im Stand der Technik sind verschiedene Übergangsmetallkarbide beschrieben, die sich durch ihre außerordentlich hohe mechanische und thermische Stabilität sowie ihre metallische elektrische Leitfähigkeit auszeichnen. Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften werden die Übergangsmetallkarbide unter anderem als hitzebeständige Materialien, als verschleißfeste Schneidstoffe sowie im Feld der heterogenen Katalyse oder Elektrokatalyse sowie im Flugzeugbau eingesetzt.
Für viele dieser Anwendungen, wie zum Beispiel in der Elektrokatalyse, sind Materialen mit hoher spezifischer Oberfläche notwendig. Übergangsmetallkarbide wie Wolfram karbide stellen vielversprechende Alternativen zu Platin-basierten Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Wasserstofferzeugung dar. So offenbart z.B. die WO 2013/137827 mesoporöse Nanostäbchen aus Wolframkarbid, die ausgehend von Wolfram(VI)-oxid- Nanostäbchen hergestellt werden können. Die pulverförmigen Wolframkarbid-Nanostäbchen fungieren als Supportmaterial für Platin-Nanopartikel. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit und spezifischen Oberfläche des Supportmaterials werden höhere katalytische Aktivitäten und Stabilitäten in der Wasserstoffbildungsreaktion erreicht. Weiterhin wird offenbart, dass Metallkarbide mit hohen spezifischen Oberflächen sowie einer hohen elektrischen Leitfähigkeit vorteilhaft für elektrokatalytische Anwendungen sind.
Neben den Anwendungen in der Katalyse gewinnen diese Verbindungen aber auch immer größere Bedeutung in der Werkstoffmechanik (beispielsweise als poröse Schleifwerkzeuge). Durch die hochporösen Strukturen lassen sich Schäden am Werkstoff minimieren, da die thermische Beanspruchung der Materialien geringer ist als bei vergleichbaren Materialien.
Hinsichtlich der Herstellung homogener mesoporöser Metalloxidschichten offenbart der Stand der Technik, dass sich die Verwendung eines chemischen Komplexes durch die Zugabe eines komplexbildenden Liganden anstelle einer molekularen beziehungsweise ionischen l Metallvorläuferverbindung als besonders geeignet herausgestellt hat. So offenbart die DE 10 2012212237, dass sich durch die Zugabe eines Mizellen-bildenden Strukturtemplats mesoporöse templatierte Metalloxid- sowie Metallkarbonatschichten hersteilen lassen. Es wird weiterhin offenbart, dass Metalloxide mithilfe stabilisierender Liganden hergestellt werden können, wobei die Herstellung von mesoporös templatierten Metallkarbiden nicht beschrieben wird. Im Stand der Technik ist nicht offenbart, dass eine poröse Nanostrukturierung der Karbide mittels Templatierung möglich ist. Des Weiteren wird die Herstellung dünner Schichten auf Substraten sowie deren pseudomorphe Transformation vom Oxid zum Karbid nicht beschrieben.
WO 2013/137827 offenbart ein Verfahren zur Synthese von Wolframkarbid-Nanostäbchen. Dabei werden pulverförmige Wolframoxid (W03)-Nanostäbchen mit einer organischen Kohlenstoffquelle vermischt, um einen Präkursor zu erhalten, welcher (der Präkursor) anschließend in einer reduzierenden Atmosphäre thermisch behandelt (karbonisiert) wird. Es bilden sich Wolframkarbid-Nanostäbchen bei hohen Temperaturen von bevorzugt 900 °C in Form eines mesoporösen Pulvermaterials. Die Kohlenstoffquelle umfasst bevorzugt Glukose und das Mischen meint insbesondere das Bilden einer Mischung von Wolframoxid (WO3)- Nanostäbchen mit der Glukose, wobei das Verfahren ferner die hydrothermale Behandlung der Mischung und das Verdampfen des hydrothermal behandelten Gemisches vor dem Karbonisieren umfasst.
In Xia et al. (2012) wird ein Verfahren zur Herstellung von (wurmlochartigen) mesoporösen Wolframkarbid/Kohlenstoff (WC/C)-Verbundmaterialien offenbart. Gemäß der Lehre von Xia et al. (2012) sind insbesondere drei Schritte erforderlich, um die WC/C-Verbundmaterialien herzustellen. Zunächst wird eine Lösung aus PFM-Harzpräkursor (Phenol-Formaldehyd- Melamin) und dem Tensid Triblock-Copolymer F127 in Ethanol/Wasser als Lösungsmittelgemisch hergestellt. Dann wird eine bestimmte Menge einer wässrigen ATOH- Lösung (Ammonium-Wolframoxid-Hydrat, englisch: ammonium tungsten oxide hydrate) in der vorgenannten Lösung unter kräftiger Rührung und Stabilisierung von F127 dispergiert, um eine W/O-Emulsion zu bilden. Schließlich wird das Triblock-Copolymer-Templat durch Kalzinierung entfernt und Wolframkarbid in-situ durch karbothermische Reduktion hergestellt, sodass das (wurmlochartige) mesoporöse WC/C-Verbundmaterial erhalten wird. Der Kohlenstoff, der hierbei als Matrix für das Verbundmaterial fungiert, dient der Sicherstellung des strukturellen Zusammenhalts des Komposites bzw. Verbundmaterials. Als Quelle für den Kohlenstoff wirkt der PFM-Harzpräkursor. Das Verfahren gemäß Xia et al. (2012) weist Nachteile hinsichtlich der Homogenität der hergestellten Strukturen auf. Es handelt sich um ein Verbundmaterial, bei dem die etwa 40 Nanometer großen Metallkarbidpartikel von großen Mengen an Kohlenstoff umgeben sind, woraus sich Nachteile hinsichtlich weiterer Anwendungen, bspw. in der Elektrokatalyse, ergeben. Ko et al. (2014) offenbart ein Verfahren, um mesoporöse Wolframkarbidkatalysatoren herzustellen. Dabei werden Porenstrukturen von Wolframkarbid-Nanoplättchen in Abhängigkeit von der eingesetzten Reaktionstemperatur ausgehend von zuvor hergestellten, geschichteten Wolframnitrid-Nanopartikeln bereitgestellt. Zur Herstellung von pulverförmigen Nanopartikeln aus geschichtetem Wolframnitrid wird geschichtetes Wolframoxid durch ein hydrothermales Verfahren hergestellt. Nach dem hydrothermalen Verfahren wird der entstandene Niederschlag auf Raumtemperatur abgekühlt, mehrmals mit Ethanol und destilliertem Wasser gewaschen und anschließend filtriert. Wolframoxid wurde dabei als Pulver nach einem Trocknungsprozess erhalten. Das resultierende Pulver wird anschließend mit einem Lösungsmittel dispergiert und mit einem Edelmetall (z. B. Palladium, Pd) kontaktiert.
Hinsichtlich der bekannten Verfahren des Standes der Technik liegt ein Verbesserungspotential vor. Insbesondere liegen Nachteile vor, um die gebildeten Porenstrukturen in einem Elektrolyseuraufbau zu verwenden. So resultieren beispielsweise nach den bekannten Verfahren keine hinreichend homogenen Porenstrukturen, insbesondere für Beschichtungen mit einstellbarer, ähnlicher Schichtdicke orthogonal zum beschichteten Substrat. Dadurch liegt nur eine nachteilige Verfügbarkeit der katalytisch aktiven Spezies vor, was für eine effiziente Ausführung der vorgesehenen Reaktionen nachteilig ist. Mithin liegt im Stand der Technik das Bestreben vor, alternative und insbesondere verbesserte Verfahren zur Herstellung von mesoporösen (Metallkarbid-)Schichten zu bieten.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Nachteile des Standes der Technik werden mithilfe der erfindungsgemäßen Lehre behoben. Die Lehre der Erfindung wird durch die unabhängigen Patentansprüche charakterisiert. In einem Aspekt der Erfindung betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung mesoporöser Metallkarbidschichten mit einer definierten Nanostrukturierung umfassend die Schritte: a) Bereitstellung einer mesoporösen Metalloxidschicht; b) In-Kontakt-bringen der Metalloxidschicht in einer reduzierenden Atmosphäre mit einer Temperatur von mindestens 650 °C, wobei durch eine Aufkohlungsreaktion mit einer Aufheizrate zwischen 0,5 bis 2 Kelvin pro Minute die Ausbildung einer mesoporösen Metallkarbidschicht erfolgt, wobei diese Metallkarbidschicht durch die genannten Verfahrensschritte eine definierte Nanostrukturierung aufweist, wobei bevorzugt eine Kohlenstoffquelle in der Atmosphäre vorliegt, insbesondere Methan oder Ethylen.
Die Mindesttemperatur für eine insbesondere vollständige Aufkohlungsreaktion beträgt ca.
650 °C. Der Fachmann weiß im Lichte dieser Offenbarung, dass er für weniger vollständige Aufkohlungsreaktionen beziehungsweise für unvollständige Aufkohlungsreaktionen auch etwas niedrigere Temperaturen wie ca. 645 °C oder aber auch ca. 600 °C einsetzen kann. Für bevorzugte Übergangsmetalle wie zum Beispiel Wolfram und Molybdän liegt der sinnvolle
Temperaturbereich der Aufkohlungsreaktion im Bereich von ca. 650 °C bis ca. 800 °C. Durch einfache Routineversuche kann der durchschnittliche Fachmann für andere Übergangsmetalle die jeweiligen optimalen Temperaturen feststellen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher in einem Aspekt eine Herstellungsmethode von porösen Übergangsmetallkarbidschichten mit einer definierten Nanostrukturierung und homogener Porenstruktur ausgehend von insbesondere mesoporösen Übergangsmetalloxidschichten durch eine Aufkohlungsreaktion bei Temperaturen von insbesondere mindestens 650 °C, wobei die Aufheizrate zwischen 0,5 bis 2 Kelvin pro Minute beträgt.
Gemäß IUPAC- Konvention lassen sich poröse Materialien abhängig von ihrer mittleren Porengröße (Durchmesser) in mikro-(<2 nm), meso-(2-50 nm) sowie makroporös (>50 nm) einteilen. Im Zusammenhang mit der Erfindung geht es insbesondere um die Herstellung mesoporöser Materialien. Im Sinne der Erfindung werden die Begriffe Nanostruktur oder Nanostrukturierung im Wesentlichen synonym verwendet. Der durchschnittliche Fachmann bezeichnet mit diesen Begriffen das Auftreten von (mitunter periodischen) Merkmalen auf der Größenskala einiger bis hunderter Nanometer. Im Allgemeinen zeigt eine Nanostruktur in mindestens einer Dimension eine Größe im Nanobereich von 109 m. Im Sinne der Erfindung weisen die in den Materialien enthaltenen Poren Werte für den mittleren Durchmesser im Bereich von Mesoporen (nach IUPAC) auf. In diesem Sinne sind die erfindungsgemäßen Materialien nanostrukturierte Materialien. Die Porenstruktur im Sinne der Erfindung beschreibt das Auftreten von Poren mit ähnlichem Durchmesser und einer ähnlichen Porenform. Im Sinne der Erfindung liegen insbesondere sphärische Poren vor, welche in der Achse senkrecht zum Substrat kontrahiert vorliegen, wodurch sich bevorzugt eine ellipsenartige Porenform ergibt. Die Kontraktion in der Achse senkrecht zum Substrat ist ein Ergebnis der thermischen Behandlung und der gleichzeitigen Entfernung des Templats.
Der Begriff der Aufkohlung bzw. der Aufkohlungsreaktion beschreibt im Sinne der Erfindung die Umsetzung eines Oxids in ein Karbid unter reduzierenden Bedingungen. Ein kohlenstoffhaltiges Gas oder ein analoges Gas dient als „carburizing agent“ und treibt die Reaktion in Richtung des Karbids. In bevorzugten Ausführungsformen kann der „carburizing agent“ auch als Kohlenstoffquelle bezeichnet werden.
Die Kohlenstoffquelle, beispielsweise Methan, wird bevorzugt von außen eingeführt und mit der mesoporösen Metalloxidschicht kontaktiert. Die Kohlenstoffquelle ist bevorzugt gasförmig und liegt damit als Gas vor. Vorteilhafterweise gelingt es mithilfe einer gasförmigen Kohlenstoffquelle aktiv die Reaktion besonders gut zu kontrollieren, was überraschend war und von den Erfindern durch eine systematische Erforschung der Einflüsse der einzelnen Parameter während der Herstellungsroute erreicht werden konnte. Die Erfindung beruht daher in einem weiteren Aspekt darauf, dass die genannte Herstellungsmethode für mesoporöse Metallkarbidschichten eine gezielte Einstellung von Phasenzusammensetzung, Kristallinität sowie Schichtdicke ermöglicht.
Der Begriff der Phasenzusammensetzung beschreibt die Stöchiometrie der hergestellten Metallkarbidschicht. Es können verschiedenste (nicht-)stöchiometrische Metallkarbidzusammensetzungen in der Schicht erhalten werden, z.B. eine Mischung der Phasen WC und W2C im Verhältnis von etwa 1:1. Darüber hinaus wird nach Exposition der Materialien an Luft nach ihrer Herstellung eine dünne (einige nm) Oberflächen-Oxidschicht gebildet, welche die Gesamt-Zusammensetzung des Materials beeinflusst.
In Abhängigkeit der gewählten Parameter der Aufkohlungsreaktion lässt sich die Kristallinität der Materialien verändern. Beispielsweise lässt sich die mittlere Kristallitg röße in der Metallkarbidschicht durch die Temperatur der Aufkohlungsreaktion beeinflussen. Bei den vorliegenden Materialien werden bevorzugt nanokristalline Karbide gebildet (ausgehend von nanokristallinen Oxiden). Die Kristallite sind bevorzugt zueinander orientiert und in der Größe einiger Nanometer.
Die Schichtdicke im Zusammenhang mit der Erfindung bezieht sich explizit auf den mittleren Durchmesser der Schicht im Wesentlichen senkrecht zum Substrat. Das Substrat wird typischerweise in die Darstellung der Schichtdicke nicht miteinbezogen. Die Schichtdicken nehmen beispielsweise Einfluss auf die katalytische Aktivität und können durch eine Anpassung der Konzentration der Vorläuferverbindungen in der Reaktionslösung bei der Synthese des Oxids variiert werden. Darüber hinaus kann die Schichtdicke über eine Veränderung der Ziehgeschwindigkeit bei der Tauchbeschichtung angepasst werden und ist zudem abhängig vom verwendeten Substrat.
Es war völlig überraschend, dass durch die Herstellungsmethode gemäß der Erfindung eine homogene Nanostrukturierung bereitgestellt werden kann, die während der Aufkohlungsreaktion insbesondere in einem reduzierenden, methanhaltigen Gasgemisch weitgehend intakt bleibt. Vorteilhaferweise gelingt dies dann besonders gut, wenn die homogene Nanostrukturierung mithilfe von mesoporös templatierten Metalloxidschichten gewonnen wird, die durch Tauchbeschichtung erzeugt werden.
Üblicherweise ist es so, dass die hohen erforderlichen Temperaturen der Metallkarbid-Bildung den Erhalt beziehungsweise die Ausbildung einer porösen Strukturierung aufgrund von signifikantem Kristallwachstums- und Sintereffekten erschweren. Die vorliegende erfindungsgemäße Methode stellt daher einen bedeutenden Fortschritt der Herstellung nanostrukturierter Übergangsmetallkarbidschichten mit metallischer Schichtleitfähigkeit dar. Demgemäß offenbart die erfindungsgemäße Lehre eine Methode zur Herstellung (meso- )poröser mono- sowie bimetallischer Übergangskarbidschichten mit definierter Nanostrukturierung ausgehend von zuvor hergestellten mesoporös templatierten mono beziehungsweise bimetallischen Übergangsmetalloxidschichten.
Vorteilhafterweise liegen sowohl die Übergangsmetalloxide als auch die zugehörigen Metallkarbide in poly- bzw. nanokristalliner Form vor. Abhängig von der Temperatur der Aufkohlungsreaktion werden verschiedene Karbidphasen gebildet. Neben den mono- bzw. bimetallischen Übergangsmetalloxidschichten erfasst die Erfindung auch die Herstellung von multi-metallischen Schichten mit drei oder mehr Metallen. Es geht im Sinne der Erfindung bei den mono-, bi-, und/oder multi-metallischen Schichten um die Herstellung von Karbidschichten, welche Phasenanteile von verschiedenen Übergangsmetallkarbiden enthalten können, also beispielsweise Mischungen von W-V-Cx. Es handelt sich bevorzugt nicht um nicht physikalische, homogen-verteilte Anteile zweier oder mehrerer Metallkarbidphasen, welche das Wandmaterial der mesoporösen Schicht bilden. Die Bezeichnungen von z.B. bi- oder multi metallischen Schichten erfolgt unabhängig vom verwendeten Substrat.
Es war völlig überraschend, dass geringe Temperaturen von beispielsweise 650 °C oder 700 °C über eine Dauer von 30 min bis 10 Stunden, bevorzugt 4 bis 8, besonders bevorzugt von 6 Stunden genügen, um eine Volumen-Phasenumwandlung vom Oxid in das zugehörige Karbid zu erzielen.
Besonders bevorzugte Temperaturbereiche für poröse Wolframkarbidschichten liegen zwischen 700 und 750 °C. Für Molybdänkarbidschichten sind Temperaturen von 700 °C für eine vollständige Phasenumwandlung bevorzugt. Es war besonders überraschend, dass die geringe Aufheizrate von 0,5 bis 2 Kelvin pro Minute, bevorzugt 0,75 bis 1,5 Kelvin pro Minute, insbesondere 1 Kelvin pro Minute entscheidend ist, um die gewünschte Porenstruktur zu erhalten.
Vorteilhafterweise zeichnet sich die Porenstruktur durch eine besonders ausgeprägte Homogenität aus. Die Homogenität der Porenstruktur meint bevorzugt, dass die Poren der Porenstruktur sich durch eine im Wesentlichen gleichförmige Struktur auszeichnen, insbesondere hinsichtlich der Größe der Poren und/oder deren Verteilung.
Überraschendenderweise zeigte auch die gebildete mesoporöse Metallkarbidschicht eine hervorragende Homogenität auf. Die Homogenität der Metallkarbidschicht betrifft bevorzugt die Homogenität der Porenstruktur, Schichtdicke, Phasenzusammensetzung und/oder Kristallinität. Mit der Homogenität der Metallkarbidschicht ist bevorzugt gemeint, dass ein im Wesentlichen gleicher Wert oder Wertebereich für einen oder mehrere der genannten Eigenschaften erlangt werden kann. Raster- (REM) sowie transmissions- (TEM) elektronenmikroskopische Aufnahmen ermöglichen in diesem Kontext die Abschätzung des mittleren Porendurchmessers sowie den mittleren Porenabstand, die mittlere Wanddicke, als auch die Charakterisierung der Porenform. Die Auswertung repräsentativer REM-Aufnahmen weist auf eine sphärische Gestalt der Poren in der Ebene parallel zu dem darunter liegenden Substrat hin, welche in der Richtung orthogonal zu dem beschichteten Substrat - aufgrund von Kontraktionskräften während der thermischen Behandlung - elliptisch erscheint. Die Analyse der REM-Aufnahmen mithilfe sogenannter Fourier-Transform-Technik (FFT) mittels eines dem Fachmann bekannten Bildbearbeitungsprogramms liefert die Ausbildung eines sphärischen Rings, welcher auf einen gewissen Grad an lokaler Porenordnung in der Ebene parallel zum Substrat hinweist, was wiederum als Effekt der Templatierung zu verstehen ist. Eine Auswertung des mittleren Porendurchmessers anhand mehrerer REM-Aufnahmen liefert schmale Porengrößenverteilungen (näherungsweise Gauß-Verteilung). Gegenüber dem Stand der Technik wird durch das bevorzugte Verfahren eine deutliche Verbesserung der Homogenität erzielt.
Begriffe wie im Wesentlichen, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 40 %, bevorzugt weniger als ± 20 %, besonders bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5 % und insbesondere weniger als ± 1% und umfassen stets den exakten Wert. Ähnlich beschreibt bevorzugt Größen, die ungefähr gleich sind. Teilweise beschreibt bevorzugt zu mindestens 5 %, besonders bevorzugt zu mindestens 10 %, und insbesondere zu mindestens 20 %, in einigen Fällen zu mindestens 40 %.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bereitstellen der mesoporösen Metalloxidschicht folgende Schritte umfasst: i) Bereitstellen eines Metallpräkursors, eines Templats, eines ersten Lösungsmittels und eines Komplexbildners, wobei der Komplexbildner eine Carboxygruppe aufweist, wobei der Metallpräkursor das Templat und der Komplexbildner in dem ersten Lösungsmittel gelöst werden, sodass sich Metallpräkursor -Komplexe bilden; ii) Beschichtung eines Substrats mit den Metallpräkursor-Komplexen, sodass sich eine mizellentemplatierte Filmschicht (Mesophase) auf dem Substrat bildet; iii) thermische Behandlung der Filmschicht unter einer Inertgasatmosphäre zu einem templatiert mesoporösen Metalloxid.
Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Templat bevorzugt eine Substanz, die als Platzhalter für ein gewünschtes Porengefüge eingesetzt wird. Damit wird insbesondere unter Einsatz des Templats die Porenstruktur der Metalloxidschicht hergestellt. Während des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Templat bevorzugt vom umgebenden Material, insbesondere von dem Metallpräkursor, eingeschlossen und hinterlässt nach der Entfernung eine poröse Struktur (Porenstruktur). Vorzugsweise erfolgt die Entfernung des Templats während der thermischen Behandlung. Abhängig von der Templatgröße entstehen Porenstrukturen mit Porengrößen, die insbesondere der Größe von Mesoporen entsprechen. Materialien mit einer geordneten Porenstruktur und einer monomodalen Porengrößenverteilung können demnach bevorzugt über sogenannte Templatierungsverfahren synthetisiert werden. Template dienen dabei bevorzugt als Platzhalter für die gewünschte Porenform.
Ein Lösungsmittel bezeichnet bevorzugt einen Stoff, der dazu eingesetzt wird, eine weitere Substanz zu lösen und dabei zu verdünnen, ohne dass es dabei (dem Lösungsvorgang) zu einer chemischen Reaktion kommt, d. h. zwischen Lösungsmittel und dem zu lösenden Stoff.
So wird das erste Lösungsmittel bevorzugt zur Lösung des Metallpräkursors, des Templats und des Komplexbildners eingesetzt.
Der Ausdruck „mizellentemplatierte Filmschicht“ meint bevorzugt, dass eine Filmschicht erhalten wurde unter Einsatz eines Mizellen-bildenden Templates zur Bildung der Poren, insbesondere der Porenstruktur. Mit Mizellen sind bevorzugt zusammengelagerte Molekülkomplexe (Aggregate) umfassend amphiphile Moleküle (Tenside) gemeint. In Abhängigkeit des verwendeten Lösungsmittels(-gemisches) sowie der Konzentration des Tensids kann die Gestalt der Mizellen variieren (bspw. sphärisch, stäbchenförmig, lamellar etc.) und gezielt eingestellt werden. Die Filmschicht meint bevorzugt eine Schicht, die eine Mikro- und/oder Nanostruktur aufweist. Insbesondere zeichnet sich die Filmschicht durch eine geringe Schichtdicke im Bereich von ca. 30 - 2000 nm aus. Vorzugsweise ist die Filmschicht eine Dünnschicht.
Eine Inertgasatmosphäre meint bevorzugt, dass eine Atmosphäre vorliegt und/oder bereitgestellt wird, die mindestens ein Inertgas enthält. Der durchschnittliche Fachmann weiß, dass somit eine Inertgasatmosphäre das Bereitstellen mindestens eines Inertgases umfasst.
Die thermische Behandlung der Filmschicht unter einer Inertgasatmosphäre meint somit insbesondere die thermische Behandlung der Filmschicht, wobei während der thermischen Behandlung mindestens ein Inertgas vorliegt. Damit ist insbesondere die Filmschicht während der thermischen Behandlung mindestens einem Inertgas ausgesetzt.
Ein templatiert mesoporöses Metalloxid meint im erfindungsgemäßen Kontext vorzugsweise ein Metalloxid, welches seine mesoporöse Strukturierung (und damit insbesondere die Mesoporen) unter Einsatz eines Templats erhalten hat.
Die bevorzugte Bereitstellung der nanokristallinen Übergangsmetalloxidschicht mit mesoporös- templatierter Strukturierung erfolgt bevorzugt in einem definierten ternären Gasgemisch unter Erhalt der mesoporösen Strukturen in eine korrespondierende Karbidschicht. Die nanokristallinen Oxidteilchen des porösen Wandmaterials katalysieren überraschenderweise die Umwandlung zum Karbid, wodurch geringe Temperaturen bei der Aufkohlungsreaktion für eine bevorzugt vollständige Volumenumwandlung ausreichend sind. So lassen sich völlig überraschend sehr definierte Übergangsmetallkarbidschichten mit hoher Porenanordnung sowie spezifischer Oberfläche hersteilen. Die hohe Porenanordnung beschreibt im Sinne der Erfindung insbesondere eine regelmäßige Porenanordnung. Dem durchschnittlichen Fachmann ist der Begriff der regelmäßigen Porenanordnung bekannt. Die Begriffe hohe Porenanordnung und regelmäßige Porenanordnung werden im Sinne der Erfindung synonym verwendet. Die regelmäßige Anordnung der Poren ist das Resultat der Mizelltemplatierung bei der Synthese der Schicht. Nach der thermischen Behandlung bildet sich ein Replika der abgeschiedenen Mesophase aus, welches sich dadurch auszeichnet, dass der mittlere Poren-zu-Poren-Abstand im Bereich einiger Nanometer liegt und kaum variiert. In diesem Zusammenhang findet sich ein bevorzugter mittlerer Porendurchmesser in Abhängigkeit des eingesetzten Templats. Diese Eigenschaften beschreiben im Sinne der Erfindung die definierten Schichten. Die hohe bzw. regelmäßige Porenanordnung findet sich über mehrere Zentimeter bis (theoretisch) sogar Metern in der Ebene parallel zum Substrat wieder. Die spezifische Oberfläche im Sinne der Erfindung ist insbesondere über das Verhältnis von Oberfläche in m2 zum Gewicht bzw. der Masse des Materials definiert. Eine hohe spezifische Oberfläche impliziert folglich die innere Oberfläche eines Materials, nicht die äußere, einfach ersichtliche. Der Begriff der Porenanordnung wird charakterisiert in der DE 102012 212237 A1 oder in der WO 2011 048 149. In diesem Stand der Technik ist auch offenbart, welche Parameter sich hinsichtlich der Porenanordnung bzw. der Oberflächen bewährt haben.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das In- Kontakt-bringen der Metalloxidschicht in der reduzierenden Atmosphäre zwischen 30 min und 10 Stunden lang durchgeführt wird. Je nach Metall ist dieser Zeitraum ausreichend, um eine Umwandlung zu den gewünschten Übergangsmetallkarbidschichten aus den bereitgestellten Übergangsmetalloxidschichten zu erreichen. Es war völlig überraschend, dass dieser Zeitraum ausreichend ist, um die vollständige Phasenumwandlung bei den bevorzugten niedrigen Temperaturen durchzuführen.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die reduzierende Atmosphäre ein ternäres Gasgemisch umfasst, bevorzugt Argon, Wasserstoff, Ethan, Ethylen, CO, CO/CO2 und/oder Methan, wobei vorzugsweise ein Verhältnis von 5 bis 7:1 zwischen Methan und Wasserstoff vorliegt.
Besonders bevorzugt liegt das Verhältnis von Wasserstoff und Methan bei 6:1. Überraschenderweise wird durch das ternäre bevorzugte Gasgemisch die vollständige Phasenumwandlung zum Karbid sichergestellt. Es war völlig überraschend, dass dieses Gasgemisch dazu führt, dass eine besonders starke Haftung der Oxid- aber insbesondere der Karbidschichten für ganz unterschiedliche Substrate gegeben ist. Insbesondere der Einsatz von Methan bzw. Wasserstoff in dem bevorzugten Verhältnis führt zu einer überraschend guten Ausbeute mesoporöser Übergangsmetallkarbidschichten, die eine definierte Nanostrukturierung aufweisen. In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallpräkursor ein Metall und/oder ein Übergangsmetall umfasst, sodass das Metalloxid ein Übergangsmetalloxid und das Metallkarbid ein Übergangsmetallkarbid ist. Bimetallische Verbindungen wie V-W-Cx oder Ni-W-Cx sind ebenfalls bevorzugt.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Metallpräkursor ein Metall und/oder Übergangsmetall ist, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Technetium, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Lanthan, Cadmium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin und/oder Gold.
Es war völlig überraschend, dass sich insbesondere die genannten Metallpräkursor überraschend gut dafür eignen, um das erfindungsgemäße Problem besonders gut zu lösen.
In der Chemie ist der Begriff „Präkursor“ bekannt als eine Vorstufe einer Verbindung, die an einer chemischen Reaktion oder einem chemischen Reaktionsablauf (Folge von mehreren Reaktionen) beteiligt ist, bei der eine andere Verbindung entsteht. Im Sinne der Erfindung bezeichnet damit ein Metallpräkursor ein Metall oder ein Übergangsmetall, welches in bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens eingesetzt wird und der Bereitstellung der mesoporösen Metallkarbidschicht dient. Insbesondere dient der Metallpräkursor der Bereitstellung des Metalls der Metalloxidschicht.
Ein Übergangsmetall umfasst im erfindungsgemäßen Kontext chemische Elemente mit den Ordnungszahlen von 21 bis 30, 39 bis 48, 57 bis 80 und 89 bis 112. Da diese Elemente alle Metalle sind, ist der Begriff „Übergangsmetall“ für den durchschnittlichen Fachmann klar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der oder die Komplexbildner Mono-, Di- oder Tricarbonsäuren, Aminosäuren und/oder Ethylendiaminteraessigsäure umfassen.
Im Sinne der Erfindung sind die Komplexbildner Anionen von Säuren, da diese eine Koordinationsverbindung mit den Metallkationen eingehen können. Ein Komplexbildner bezeichnet bevorzugt eine chemische Verbindung, die mit bestimmten Zentralatomen eine Komplexverbindung eingehen kann. Insbesondere umfasst ein Komplexbildner Anionen mit freien Elektronenpaaren, die mit Metallionen oder Metallatomen Koordinationsverbindungen bilden, insbesondere mit den Metallionen oder Metallatomen des Metallpräkursors.
Poröse Oxidschichten sind im Stand der Technik bekannt (DE 102012 212 237 A1). Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die bevorzugten Komplexbildner für die Bereitstellung der mesoporösen Metalloxidschichten ganz besonders vorteilhaft geeignet sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Templat Mizellen- und/oder Lamellenstrukturen bildet und das Templat ein amphiphiles Polymer, bevorzugt ein amphiphiles Blockpolymer ist.
Besonders bevorzugt ist das amphiphile Blockcopolymer ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Polyethylenoxid-block-polybutadien-block-polyethylenoxid (PEO-PB-PEO), Polyethylenoxid-block-polypropylenoxid-block-polyethylenoxid (PEO-PPO-PEO), Polypropylenoxid- block-polyethylenoxid-block-polypropylenoxid (PPO-PEO-PPO), Polyethylenoxid-block- polyisobutylen-block-polyethylenoxid (PEO-PIB-PEO), Polyethylen-block-polyethylenoxid (PE-PEO), Polyisobutylen-block-polyethylenoxid (PIB-PEO) und Poly(ethylen-co-butylen)-block- poly(ethylenoxid) (PEB-PEO), Polystyren-block-poly(4-vinylpyridin) (PS-P4VP) oder Gemischen dieser vorzugsweise Polyethylenoxid-block-polybutadien-block-polyethylenoxid (PEO-PB-PEO).
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die genannten und bevorzugten Template insbesondere die Blockcopolymere ganz besonders gut geeignet sind, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Lösungsmittel ein Mittel umfassend C1-C4-Alkohol, C2-C4-Ester, C2-C4-Ether, Formamid, Acetonitril, Aceton, Tetrahydrofuran, Benzyl, Toluol, Dimethylsulfoxid, Dichlormethan, Chloroform, Methanol, Ethanol, Wasser oder deren Mischungen eingesetzt werden.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Verwendung der bevorzugten Lösungsmittel zu besonders guten porösen Oxidschichten führt. Weiterhin war es überraschend, dass die Zugabe von geringen Mengen an Wasser zu einem der bevorzugten Lösungsmittel beziehungsweise Lösungsmittelgemische zu einer noch besseren Ausbildung mesoporöser Oxidschichten führt.
Es lag für den durchschnittlichen Fachmann nicht nahe, dass die Verwendung der genannten Lösungsmittel im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lehre dazu führt, dass das Herstellungsverfahren zur Bildung von Oxidschichten bzw. zur Bildung der gewünschten mesoporösen Karbidschichten besonders effizient und besonders gut umgesetzt werden kann.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat durch Tauchbeschichten, Rakeln, Tropfbeschichten, Gießstreichen, Rotationsbeschichten und/oder Sprühbeschichten erfolgt.
Der Schritt des erfindungsgemäßen Beschichtens, welcher in Schritt i) des Verfahrens der Bereitstellung der mesoporösen Metalloxidschichten umgesetzt wird, erfolgt besonders bevorzugt mit Tauchbeschichten. Die weiteren genannten Beschichtungsverfahren sind aber ebenfalls bevorzugt. Bei dem besonders bevorzugten Tauchbeschichten werden besonders gute Resultate erreicht, wenn die Rückzugsgeschwindigkeit im Bereich von 1 bis 500 mm pro Minute liegt und/oder die Temperatur während der Beschichtung zwischen 10 und 50 °C und/oder die Trocknungszeit im Bereich von 0,1 Minute bis 2 Stunden liegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Luftfeuchte zwischen 10 bis 60 % beträgt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Metalloxid bei einer Temperatur zwischen 350 und 650 °C in dem reduzierenden Gasgemisch gebildet wird. Das Metalloxid kann bevorzugt über ein Verfahren bereitgestellt werden, welches die genannten Schritte i), ii) und iii) umfasst.
Die thermische Behandlung der Filmschicht unter einer Inertgasatmosphäre zu einem templatiert mesoporösen Metalloxid (Schritt iii)) kann bei verhältnismäßig geringen Temperaturen zwischen 350 und 650 °C erfolgen. Es war überraschend, dass dieser Temperaturbereich der thermischen Behandlung der Filmschicht zu einer mesoporösen Metalloxidschicht führt, die anschließend besonders gut in eine mesoporöse Metallkarbidschicht mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens umgewandelt werden kann.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat, auf dem die Beschichtung erfolgen kann, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Stahl, Graphit, Graphen, Glaskohlenstoff, Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan und/oder Legierungen daraus und/oder temperaturstabile Polymere, Kunststoffe und/oder Membranen, wobei das Substrat bevorzugt ein Wafer ist. Im Sinne der Erfindung können auch Streckmetalle oder Metallschäume beschichtet werden.
In einem besonders wichtigen und zentralen Aspekt betrifft die Erfindung eine Metallkarbidschicht, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Die Metallkarbidschicht zeichnet sich durch eine hohe Porenordnung aus. Die Metallkarbidschichten im Sinne der Erfindung sind makroskopisch rissfrei sowie homogen und verfügen über sehr gute mono- oder bimetallische Eigenschaften. Die Metallkarbidschichten weisen außergewöhnlich gute und überraschende physikalische Eigenschaften auf, wie beispielsweise die definierte Porenstruktur in Verbindung mit ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie mechanischen Stabilität (Härte).
Die Übergangsmetallkarbidschichten im Sinne der Erfindung verfügen in ihrer Summe über eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften, die sich im Stand der Technik in dieser Kombination nicht finden lassen. Auch wenn die Herstellung zahlreicher Übergangsmetallkarbide, bevorzugt in Form polykristalliner Pulver, hinreichend offenbart ist, ist die besonders hohe thermodynamische Stabilität der erfindungsgemäßen Übergangsmetallkarbidschichten besonders vorteilhaft. Viele Übergangsmetallkarbide des Standes der Technik weisen außerdem nur eine unzureichende poröse Nanostrukturierung auf.
Es war völlig überraschend, dass die Lehre der Erfindung insbesondere die Bereitstellung der Metallkarbidschicht mit definierter Struktur die Ausbildung makroskopisch rissfreier Schichten ermöglicht, welche sehr geringe Varianzen in ihren Eigenschaften aufweisen. Der mittlere Porendurchmesser variiert beispielsweise um weniger als 20 %. Darüber hinaus bildet sich für alle Schichten ein dreidimensional verknüpftes Porensystem aus. Dies ist entscheidend für die Anwendung in der Katalyse und anderen bevorzugten Anwendungen. Die Schichtdicke ist präzise einstellbar und variiert kaum über mehrere Zentimeter auf dem gewählten Substrat.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Metallkarbid dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkarbidschicht Poren aufweist, wobei die Poren mesoporös und/oder makroporös sein können, wobei bevorzugt die Poren homogen verteilt sind.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die erfindungsgemäßen Metallkarbidschichten insbesondere Mesoporen zwischen 2 und 50 nm aufweisen. Je nach Variation des Polymertemplats bei der Synthese lassen sich auch Makroporen hersteilen. Es war völlig überraschend, dass sich der mittlere Durchmesser der Poren durch eine Variation des Polymertemplats gut einstellen lässt. Der mittlere Abstand einer Pore zu einer benachbarten Pore lässt sich in Anpassung der molaren Verhältnisse von Templat und Metallpräkursoren sehr gut einstellen. Dies verändert jeweils die Wanddicke des Metalloxids bzw. des Metallkarbids. Bevorzugt sind die Poren homogen verteilt.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Metallkarbid dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkarbidschicht mit einerweiteren porenkonformen Schicht beschichtet wird, insbesondere NiO.
Eine porenkonforme Schicht bezeichnet im Sinne der Erfindung vorzugsweise eine kontinuierliche, die gesamte innere und äußere zugängliche Porenwandoberfläche bedeckende Lage mit einer einstellbaren Schichtdicke sowie homogenen Materialzusammensetzung. Die mittlere Schichtdicke dieser uniformen Oberflächenlage liegt bevorzugt im Bereich weniger bis einiger Nanometer. Das gesamte Porensystem, welches vorzugsweise dreidimensional strukturiert ist, wird mithilfe einer geeigneten Methode oberflächenmodifiziert. Die bevorzugt abgeschiedene Schicht verringert folglich den mittleren Porendurchmesser im resultierenden oberflächenmodifizierten Trägermaterial, wobei die Verringerung des Porendurchmessers bevorzugt im Bereich weniger Nanometer bis Ängström liegt. Der Begriff „konform“ meint insbesondere den Erhalt der geometrischen Struktur der Oberfläche des porösen Trägermaterials. In diesem Kontext bleibt bspw. die Porenform im Wesentlichen unverändert.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung werden die Metallkarbidschichten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen werden, als Katalysatoren oder Katalysatorträger als Verbindungshalbleiter in der Photovoltaik, der Elektrokatalyse oder der Photo(elektro)katalyse in der Medizintechnik als Energiespeicher als magnetische Datenspeicher, als Schleifmittel in Werkstoffbearbeitungen und/oder als Trägermaterial für Schleifstoffe und/oder Schmiermittel eingesetzt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung bevorzugt ein Metallkarbid, welches mit einem bevorzugten Verfahren hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkarbidschicht mit einer weiteren porenkonformen Schicht beschichtet wird, insbesondere NiO, und die Metallkarbidschicht anschließend als Katalysator oder Katalysatorträger, als Verbindungshalbleiter in der Photovoltaik, Elektrokatalyse oder Photo(elektro)katalyse, in der Medizintechnik, als Energiespeicher, als magnetische Datenspeicher, als Schleifmittel in Werkstoffbearbeitungen und/oder als Trägermaterial für Schleifstoffe und/oder Schmiermittel verwendet wird.
Die bevorzugte Metallkarbidschicht eignet sich besonders gut, insbesondere nach der Beschichtung der porenkonformen Schicht (insbesondere unter Einsatz einer Atomlagenabscheidung, wobei die bevorzugte Beschichtung der porenkonformen Schicht eine Oberflächenmodifizierung darstellt), um als Elektrode in der Wasserelektrolyse eingesetzt zu werden.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für das bevorzugte Verfahren zur Herstellung einer mesoporösen Metallkarbidschicht gelten, gleichermaßen für die erfindungsgemäß herstellbare Metallkarbidschicht sowie bevorzugten Verwendungen gelten, und umgekehrt.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert werden, ohne auf diese Abbildungen oder die mit diesen illustrierten Beispielen beschränkt zu sein.
Abbildungen
Kurzbeschreibung der Abbildungen
Abbildung 1 zeigt schematisch die verwendete Herstellungsroute für die Synthese mesoporöser Übergangsmetalloxid- bzw. karbidschichten am Beispiel von Wolframoxid bzw. -karbid. Abbildungen 2-4 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der hergestellten Wolframoxid bzw. -karbidschichten in Draufsicht in 100.000-facher Vergrößerung auf einem Siliziumwafer als Substrat. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse der röntgendiffraktometrischen Analyse der mesoporösen Wolframoxid- bzw. -karbidschichten unter gleisendem Einfall (Gl- XRD) vermessen mit monochromatischer Cu-Ka-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1.54 Ä auf Silizium-Substraten. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse einer elektrokatalytischen Testmessung (alkalische Sauerstoffbildungsreaktion, OER) im Vergleich zu Referenzsystemen vor sowie nach der Abscheidung von katalytisch aktiver Spezies.
Detaillierte Beschreibung der Abbildungen
Die Abbildungen 1 bis 6 zeigen die Herstellung von makroskopisch-rissfreien, homogenen mono- oder bimetallischen Übergangsmetallkarbidschichten mit definierter Porenstruktur auf geeigneten Substraten. Metallkarbidschichten zeichnen sich hinsichtlich ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften aus, wie bspw. einer hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie mechanischer Stabilität (Härte) und sind den Metalloxidschichten überlegen. Die Herstellung zahlreicher Übergangsmetallkarbide, bevorzugt in Form polykristalliner Pulver, ist hinreichend offenbart. Die hohe thermodynamische Stabilität der Metalloxid-Phasen erfordert für die Mehrzahl an Metallen sehr hohe Temperaturen für die Phasenumwandlung zum Karbid. Dies führt zu einem irreversiblen Verlust der porösen Nanostrukturierung der Materialien. Durch eine geeignete Wahl der Synthesebedingungen können jedoch nun poröse, nanostrukturierte, makroskopisch rissfreie Übergangsmetallkarbidschichten über eine Aufkohlungsreaktion aus dem zugehörigen mesoporösen Oxid hergestellt werden.
Durch die Zugabe geeigneter Übergangsmetallpräkursoren in die Syntheselösung lassen sich darüber hinaus bimetallische Oxide bzw. Karbide hersteilen. Für die Herstellung der mesoporös templatierten Übergangsmetalloxide wurde eine spezielle Methode etabliert. Diese zeichnet sich durch die Zugabe eines stabilisierenden kohlenstoffhaltigen, anionischen Liganden, bspw. Citrat, zu der mono- bzw. bi-metallhaltigen Vorläuferlösung in einem geeigneten Lösungsmittel, bevorzugt Ethanol, aus. Die Lösungen zeichnen sich durch ausreichende Stabilität und Beständigkeit gegenüber Hydrolyse und Fällungsreaktionen aus und ermöglichen die Herstellung homogener, makroskopisch rissfreier poröser Filme mit definierter Struktur durch einen nachfolgenden Tauchbeschichtungsprozess mit anschließender thermischer Behandlung unter inerten Bedingungen. Dabei zersetzt sich das eingesetzte porenformende Templat nahezu vollständig durch Oxidation, welche durch die benachbarten Lewis-sauren Metallkationen zusätzlich katalysiert wird.
Wie in Abbildung 2 ersichtlich, lassen sich auf diese Weise mesoporös templatierte Strukturen erzeugen. Bemerkenswerterweise ist die mechanische bzw. morphologische Stabilität dieser mono- bzw. bimetallischen Übergangsmetalloxidfilme ausreichend hoch, um in einer nachfolgenden Aufkohlungsreaktion unter reduktiven Bedingungen eine mesoporöse Übergangsmetallkarbidschicht zu bilden, ohne dass ein irreversibler Verlust der Porenstruktur bzw. -Ordnung erfolgt oder makroskopische Rissbildung eintritt.
Aufgrund der Oxidationsempfindlichkeit der hergestellten Karbidmaterialien, wird durch einen abschließenden Passivierungsschritt eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche der Karbide erzeugt, welche eine vollständige Oxidation unterbindet. Nach der Aufkohlungsreaktion und darin einhergehender Ausbildung der Karbidphasen im Volumen, zeigen die mesoporösen Filme metallische Schichtleitfähigkeiten (gemessen mittels Impedanzspektroskopie bei 25 °C in Luft). Diese signifikante Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit gegenüber der Oxid-Vorstufen ist ein weiteres Indiz für die erfolgreiche Ausbildung einer Volumen-Karbidphase. Die hergestellten Übergangsmetallkarbidschichten eignen sich aufgrund dieser hervorragenden elektrischen Eigenschaften bspw. als Substrate in der Elektrokatalyse. In dieser Erfindungsmeldung wird zum ersten Mal der Einsatz templatiert poröser Wolfram karbid- Filme als Trägermaterialien von katalytisch aktiver Spezies für die elektrochemische Wasserspaltung vorgestellt. Als konzeptioneller Beweise wurde mittels Atomlagenabscheidung (ALD) NiO auf der inneren sowie äußeren Oberfläche der Oxid- sowie Karbidfilme abgeschieden und in einem rotierenden Scheibenelektrodenaufbau in alkalischem Elektrolyten untersucht. Gegenüber reinen mesoporösen NiOx-Filmen konnte ein deutlicher Performance-Vorsprung erreicht werden. Dieser kann in erster Linie auf die signifikant erhöhte elektrische Leitfähigkeit des Trägermaterials zurückgeführt werden, da NiO halbleitende Eigenschaften aufweist. Bemerkenswerterweise zeigte das NiO-beschichtete Wolframkarbid keine merkliche Abnahme der katalytischen Aktivität über 150 Cyclovoltammogramme in 0.1 M KOH als Elektrolyten. Bei vergleichbarer Beladung an katalytisch aktivem NiO konnten deutlich höherer Stromdichten im Vergleich zu mit NiO-beschichtetem WOx erhalten werden. Die Untersuchungen zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit poröser Übergangsmetallkarbide als elektrisch leitfähige Trägermaterialien für die Elektrokatalyse.
Die Zeichnungen zeigen im Detail:
Abbildung 1: Darstellung des verwendeten Syntheseschemas zur Herstellung mesoporös templatierter Übergangsmetalloxid- bzw. Übergangsmetallkarbidschichten am Beispiel von Wolframoxid bzw. Wolframkarbidschichten. Exemplarisch wird die Zugabe von Citrat als stabilisierendem Liganden der metallischen Vorläuferverbindung dargestellt. Die Temperatur der Aufkohlungsreaktion im letzten Schritt liegt bevorzugt zwischen 700 und 750 °C.
Abbildung 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (Draufsicht) auf einen hergestellten mesoporös templatierten WOx-Film auf einem Siliziumwafer als Substrat. porösen W C-Film via Aufkohlungsreaktion für 6 h bei 700 °C auf einem Siliziumwafer als Substrat. porösen W C/WC-Film via Aufkohlungsreaktion für 6 h bei 750 °C auf einem Siliziumwafer als Substrat. hergestellten mesoporösen WOx sowie WCx-Schichten via Aufkohlungsreaktion für 6 h bei 700 °C (dunkelgrau) bzw. 750 °C (hellgrau) ausgehend von mesoporösem WOx (schwarz) auf einem Siliziumwafer als Substrat (Reflexe mit * indiziert). Referenzpattern: WC (dunkelgraue Balken) sowie W C (hellgraue Balken). Abbildung 6: Elektrokatalytische Messungen (50. CV) der Sauerstoffbildungsreaktion (OER, oxygen evolution reaction) in einem rotierenden Scheibenelektrodenaufbau in 0.1 M KOH und 25 °C in I\l2-gesättigtem Elektrolyten. Gezeigt sind Messungen von hergestellten mesoporösen WCx-Schichten via Aufkohlungsreaktion für 6 h bei 700 °C vor (gepunkteter Graph) bzw. nach (durchgehender Graph) der Abscheidung von katalytisch aktiver Spezies. Diese erfolgte bspw. durch eine NiO-ALD. Alle untersuchten Filme wurden auf einem polierten Titanblech als Substrat hergestellt und vermessen. Als Referenzen wurden mesoporös templatierte NiOx-Filme (Strich- Punkt) hergestellt und deren OER-Aktivität untersucht. Die höhere katalytische Aktivität des beschichteten mesoporösen WCx-Trägermaterials zeigt sich anhand des Vergleichs des mit einer ähnlichen Menge an NiO-beschichtetem mesoporösen WOx (gestrichelter Graph).
Beispiel für die Herstellung eines mesoporösen Wolframoxid-Films mit nachfolgender Umwandlung zum -karbid durch Aufkohlungsreaktion:
Chemikalien: Wolfram(VI)-chlorid (> 99%, zur Analyse) wurde von Merck erhalten.
Citronensäure (> 99,5% p. a., wasserfrei) wurde von Roth erworben. Das Polymertemplat Poly(ethylenoxid)-ö-poly(butadien)-Jb-poly(ethylenoxid) (18.700 g/mol PEO und 10.000 g/mol PB) wurde von der Polymer Service Merseburg GmbH erhalten. Ethanol (> 99,9%, absolut) wurde von VWR erworben. Alle Chemikalien wurden ohne weitere Aufreinigung eingesetzt.
Filmsynthese: Vor der Filmabscheidung wurden die Siliziumsubstrate mit Ethanol gereinigt und an der Luft kalziniert (2 h, 600 °C). Die verwendeten Quarzsubstrate wurden in einer alkalischen Isopropanollösung für 30 min im Ultraschallbad geätzt. Templat PEO213-PB184-PEO213 (55 mg, 3,6 pmol), Zitronensäure (384 mg, 2,0 mmol) und WCI6 (397 mg, 1,0 mmol) wurden in 3,0 mL Ethanol bei 50 °C unter Rühren gelöst. Die Lösung färbte sich tiefblau. Zugabe der komplexierenden Zitronensäure sorgte für einen Farbumschlag der Lösung von tiefgrün nach tiefblau. Die Filme wurden mittels Tauchbeschichten von Substraten mit einer Rückzugsgeschwindigkeit von 300 mm/min unter kontrollierter Atmosphäre (25 °C, 40 % relative Feuchtigkeit) hergestellt. Anschließend wurden die Filme mindestens 5 min lang getrocknet. Die Filme wurden in einem Rohrofen 5 h bei 500 °C unter Stickstoffatmosphäre, gefolgt von Abkühlenlassen auf Raumtemperatur, behandelt.
Für die Umwandlung zum Metallkarbid wurden die hergestellten Oxidschichten für 6 h bei 700 °C in einer ternären Gasmischung aus CHV^/Ar mit einer Aufheizrate von 1 K/min behandelt. Das Verhältnis von CH4 zu H2 wurde als 1:6 eingestellt. Der gesamte Gasstrom betrug 150 mL/min. Nach Abkühlen auf 250 °C wurden die Filme an der Oberfläche mithilfe einer dünnen Oxidschicht passiviert. Dazu wurde eine Mischung von 1:1 N2 zu Luft in den Rohrofen eingeleitet.
Charakterisierung: TEM-Aufnahmen wurden mit einem FEI Tecnai G 2 20 S-TWIN bei 200 kV Beschleunigungsspannung von Filmen angefertigt, die von den Substraten teilweise abgekratzt und auf ein mit Kohlenstoff beschichtetes Kupfernetz überführt worden waren. Die SEM- Aufnahmen wurden mit einem JEOL 7401 F mit einer Beschleunigungsspannung von 10 kV und einem Arbeitsabstand von 4 mm aufgenommen. Die Schichtdicken wurden im Querschnitt gemessen. Zur Bestimmung des Porendurchmessers und der Schichtdicke wurde Image J, Version 1.39u, (http://rsbweb.nih.gov/ij) eingesetzt. Die Raman-Spektren wurden mit einem LabRam HR 800 Instrument (Horiba Jobin Yvon) gekoppelt an ein BX41 Mikroskop (Olympus) aufgezeichnet. Das System ist mit einem HeNe Laser Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm und einem 300 mm-1 Gitter ausgestattet. XRD-Aufnahmen erfolgten mit einem Bruker D8 Advance (Cu-Kc-Strahlung) unter streifendem Einfallswinkel von 1°. Die Reflexe wurden unter Verwendung von PDFMaintEx Library zugeordnet.
LITERATURVERZEICHNIS
Xia, Liaoyuan, et al. "An easy soft-template route to synthesis of wormhole-like mesoporous tungsten carbide/carbon composites." Composites Science and technology 72 (2012): 1651-1655.
Ko, A-Ra, et al. "Ordered mesoporous tungsten Carbide nanoplates as non-Pt catalysts for oxygen reduction reaction." Applied Catalysis A: General 477 (2014): 102-108.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung mesoporöser Metallkarbidschichten mit definierter Nanostrukturierung umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer mesoporösen Metalloxidschicht; b) In-Kontakt-bringen der Metalloxidschicht in einer reduzierenden Atmosphäre aufweisend eine Kohlenstoffquelle bei einer Temperatur von mindestens 650 °C, wobei durch eine Aufkohlungsreaktion mit einer Aufheizrate zwischen 0,5 - 2 Kelvin pro Minute die Ausbildung einer mesoporösen Metallkarbidschicht erfolgt.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der mesoporösen Metalloxidschicht folgende Schritte umfasst: i) Bereitstellen eines Metallpräkursors, eines Templats, eines ersten Lösungsmittels und eines Komplexbildners, wobei der Komplexbildner eine Carboxygruppe aufweist, wobei der Metallpräkursor, das Templat und der Komplexbildner in dem ersten Lösungsmittel gelöst werden, sodass sich Metallpräkursor-Komplexe bilden; ii) Beschichtung eines Substrats mit den Metallpräkursor-Komplexen, sodass sich eine mizelltemplatierte Filmschicht (Mesophase) auf dem Substrat bildet; iii) Thermische Behandlung der Filmschicht unter einer Inertgasatmosphäre zu einem templatiert mesoporösen Metalloxid.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) in der reduzierenden Atmosphäre zwischen 30 min und 10 Stunden lang durch geführt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierende Atmosphäre ein ternäres Gasgemisch umfasst, bevorzugt Argon, Wasserstoff, Ethan, Ethylen, CO, CO/CO2 und/oder Methan, wobei vorzugsweise ein Verhältnis von 5-7:1 zwischen Methan und Wasserstoff vorliegt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Metallpräkursor ein Metall und/oder ein Übergangsmetall umfasst, sodass das Metalloxid in ein Übergangsmetalloxid und das Metallkarbid ein Übergangsmetallkarbid ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Metallpräkursor ein Metall und/oder Übergangsmetall ist ausgewählt aus einer Gruppe umfassend aus Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Technetium, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Lanthan, Cadmium, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin und/oder Gold.
7. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Komplexbildner Mono-, Di- oder Tricarbonsäuren, Aminosäuren und/oder Ethylendiaminteraessigsäure umfasst.
8. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Templat Mizellen- und/oder Lamellenstrukturen bildet und das Templat ein amphiphiles Polymer, bevorzugt ein amphiphiles Blockcopolymer ist.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das amphiphile Blockcopolymer ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Polyethylenoxid-block-polybutadien-block-polyethylenoxid (PEO-PB-PEO), Polyethylenoxid- block-polypropylenoxid-block-polyethylenoxid (PEO-PPO-PEO), Polypropylenoxid-block- polyethylenoxid-block-polypropylenoxid (PPO-PEO-PPO), Polyethylenoxid-block- polyisobutylen-block-polyethylenoxid (PEO-PIB-PEO), Polyethylen-block-polyethylenoxid (PE-PEO), Polyisobutylen-block-polyethylenoxid (PIB-PEO) und Poly(ethylen-co-butylen)- block-poly(ethylenoxid) (PEB-PEO), Polystyren-block-poly(4-vinylpyridin) (PS-P4VP), oder Gemischen dieser vorzugsweise Polyethylenoxid-block-polybutadien-block- polyethylenoxid (PEO-PB-PEO).
10. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel ein Mittel umfassend C1-C4-Alkohol, C2-C4-Ester, C2-C4-Ether, Formamid, Acetonitril, Aceton, Tetrahydrofuran, Benzyl, Toluol, Dimethylsulfoxid, Dichlormethan, Chloroform, Methanol, Ethanol, Wasser oder deren Mischungen eingesetzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Substrats durch Tauchbeschichten, Rakeln, Tropfbeschichten, Gießstreichen, Rotationsbeschichten und/oder Sprühbeschichten erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid bei einer Temperatur zwischen 350 °C und 650 °C in dem reduzierenden Gasgemisch gebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Stahl, Graphit, Graphen, Glaskohlenstoff, Gold, Silber, Platin, Kupfer, Nickel, Aluminium, Titan, und/oder Legierungen daraus und/oder temperaturstabile Polymere, Kunststoffe und/oder Membranen, wobei das Substrat bevorzugt ein Wafer, Streckmetalle und/oder Metallschäume sind.
14. Metallkarbidschicht hergestellt gemäß eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche
15. Metallkarbid nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkarbidschicht Poren aufweist, wobei die Poren mesoporös und/oder makroporös sein können, wobei bevorzugt die Poren homogen verteilt sind.
16. Metallkarbid nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkarbidschicht mit einerweiteren porenkonformen Schicht beschichtet wird, insbesondere NiO.
17. Verwendung der Metallkarbidschichten nach Anspruch 14 und/oder 15 als Katalysatoren oder Katalysatorträger, als Verbindungshalbleiter in der Photovoltaik, Elektrokatalyse oder Photo(elektro)katalyse, in der Medizintechnik, als Energiespeicher, als magnetische Datenspeicher, als Schleifmittel in Werkstoffbearbeitungen und/oder als Trägermaterial für Schleifstoffe und/oder Schmiermittel.
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