WO2007118692A1 - Method for producing metal fluoride sols and gels - Google Patents

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WO2007118692A1
WO2007118692A1 PCT/EP2007/003309 EP2007003309W WO2007118692A1 WO 2007118692 A1 WO2007118692 A1 WO 2007118692A1 EP 2007003309 W EP2007003309 W EP 2007003309W WO 2007118692 A1 WO2007118692 A1 WO 2007118692A1
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Erhard Kemnitz
Udo Gross
Stephan Rüdiger
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Humboldt-Universität Zu Berlin
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Definitions

  • the present invention relates to a process for producing a metal fluoride sol or a metal fluoride gel and to the use thereof.
  • Metal fluorides are of great importance to the chemical, pharmaceutical and ceramics industries.
  • inorganic materials with a large surface area are of central importance in heterogeneous catalysis, for example, where the activity of a catalyst is highly dependent on its surface area.
  • metal fluorides can be carried out via the sol-gel route. Such a method is described for example in European patent application EP 04700458.5.
  • a metal fluoride precursor compound is typically provided, which is typically an alkoxide, an enolate or the salt of a carboxylic acid having a preferred chain length of 1 to 5 carbon atoms.
  • Such a precursor compound is then reacted with anhydrous hydrogen fluoride in a suitable solvent to give, after removal of the solvent, an intermediate referred to as "precursor.” This is reacted in a second step with a fluorinating agent according to EP 04700458.5.
  • the object of the present invention is thus to provide a process for the preparation of a metal fluoride sol and a metal fluoride gel or a process for the preparation of an amorphous metal fluoride.
  • a metal fluoride sol and a metal fluoride gel comprising the steps:
  • a) providing a metal b) providing a solution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent, and c) reacting the metal with the solution of hydrogen fluoride in a nonaqueous solvent to form a metal fluoride sol.
  • the metal is a metal of the second, third or fourth main group or a subgroup of the periodic table, wherein the redox potential of the metal in the respective solvent is more negative than that of H 2 .
  • the metal is selected from the group comprising magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, zinc, lead, rare earths.
  • the metal is selected from the group comprising magnesium and aluminum.
  • the metal is reacted with the solution of hydrogen fluoride in a stoichiometric ratio based on hydrogen fluoride or with an excess of hydrogen fluoride.
  • the non-aqueous solvent is an alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, butanol, iso-butanol, tert-butanol, methoxyethanol, Ethoxyethanol includes.
  • the alcohol contains up to 4% water.
  • the nonaqueous solvent is an ether or a ketone or a sulfoxide.
  • step c) takes place at room temperature and standard pressure.
  • the metal fluoride sol or metal fluoride gel has a solvent content of from 50 mole% to 99.9 mole%, preferably from 70 mole% to 99 mole%.
  • the metal is an alloy or mixture of two or more metals.
  • the object is achieved by a metal fluoride sol or metal fluoride gel obtainable by a process according to the invention.
  • the volatile constituents are removed by a heat treatment.
  • the heat treatment at a temperature of 30 to 500 0 C, preferably from 70 to 250 0 C takes place.
  • the first aspect it is provided that the
  • the method is a method for producing an amorphous metal fluoride.
  • the metal is activated prior to its reaction with the solution of hydrogen fluoride. Activation converts the metal to a state that allows or accelerates reaction with the solution of hydrogen fluoride. In a particular embodiment, the activation serves to eliminate the passivation of the metal.
  • Appropriate means are known to those skilled in the art and include, for example, the reaction of the metal with mercury, which is particularly preferred when using Al as the metal.
  • the method of the invention comprises the step of converting the metal to a carbon precursor which is then further reacted with hydrogen fluoride and / or in a non-aqueous solvent containing hydrogen fluoride.
  • the object is achieved by an amorphous metal fluoride obtainable by a method according to the invention, in particular by a method according to the first aspect.
  • the object is achieved by a method for coating a surface, preferably for film-coating a surface, comprising the steps:
  • the metal fluoride sol or the metal fluoride gel is provided by a method according to an embodiment of the invention or is a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to an embodiment of the invention.
  • the object is achieved by a metal fluoride sol or gel according to the second aspect for the production of a coating, preferably a protective coating, an antireflection coating or a catalytically active layer on a suitable support.
  • the object is achieved by the use of a metal fluoride according to the third aspect, for the production of ceramics, preferably transparent ceramics.
  • the object is achieved by the use of a metal fluoride gel or metal fluoride sol according to the second aspect for the production of metal fluoride coated fibers or waveguides.
  • the object is achieved by an article comprising a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to the second aspect, wherein the article is selected from the group comprising glass sheets, cathode ray tubes, liquid crystal displays, metal surfaces and lenses.
  • the present inventors have surprisingly found that instead of using metal compounds having a coordinatively bonded organic group, metals can also be used directly as starting materials for the production of a metal fluoride sol or gel, which in turn is used to produce an amorphous metal fluoride according to the present invention Invention can be used.
  • the amount of solvent used in this reaction based on the amount of metal, should be so large that the product is liquid, ie, a sol and not a solid gel. Otherwise, the reaction could be hindered so much by the resulting gel that it does not run completely.
  • the sol thus obtained can easily be concentrated to obtain a gel, if there is a need for the preparation of a gel.
  • the present invention is further based on the surprising finding that, in the context of the process according to the invention, the nonaqueous solvent serving as solvent for the hydrogen fluoride acts so strongly solvating that the metal fluoride is converted into solution as sol. This could not be expected on the basis of previous observations and assumptions of the prior art for the following reasons.
  • nonaqueous solvent refers to a solvent that is free of water, preferably substantially free of water.
  • water is present in the non-aqueous solvent, but the amount of water content is such that the reaction described above, and in particular the formation of the metal fluoride sol as disclosed herein, not or not materially affected.
  • amounts of water may, for example, be due to the fact that the required for the reaction of hydrogen fluoride is added as a highly concentrated, for example, 70% aqueous solution to the non-aqueous system, especially when it is in the non-aqueous system to a alcoholic solvent or solvent system.
  • metals in the context of the present invention all metals and mixtures or alloys of such metals whose redox potential in the respective nonaqueous solvent is less than that of hydrogen, ie, the less noble than hydrogen.
  • metal fluoride sol and a metal fluoride gel it is then possible to produce an amorphous metal fluoride having the properties described herein. This is based on the metal fluoride sol whose volatile components such as the nonaqueous solvent is removed, preferably under vacuum, whereby a solid is usually obtained.
  • the amorphous metal fluoride thus obtained can be post-fluorinated by any of the methods described in EP 04700458.5.
  • the reaction with the fluorinating agent is carried out at an elevated temperature, but below the crystallization temperature of the metal fluoride.
  • Preferred temperature ranges thus be 350 ° C or less, 200 ° C or less and 100 0 C or 70 ° C or less.
  • the content of organic compounds is reduced quantitatively, wherein preferably the carbon content based on the amorphous metal fluoride is less than 1%.
  • a suitable fluorinating agent is typically CH g Cl h F 4 -gh , where the sum of g + h is equal to a number, preferably an integer from 1 to 3, or gaseous hydrogen fluoride.
  • CH g Cl h F 4 . gh is typically gaseous, diluted with an inert gas such as N 2 , where the CH g Cl h F 4 .g. h partial pressure 5 to 1500 mbar, preferably 25 to 300 mbar, or in pure, non-diluted form, at a temperature of 25 ° C to 45O 0 C, preferably from 5O 0 C to 300 0 C, are used.
  • the gaseous hydrogen fluoride is typically an inert gas such as N 2 or other gases used diluted, or in a pure, non-diluted form in a temperature range between 30 to 300 0 C, preferably 75 is used to 18O 0 C the Fluorwasserstoffpartialtik is 50 to 1500 mbar. Preferably 350 to 600 mbar.
  • the fluorination reaction is carried out in a metal tube reactor.
  • the catalytically active solid material thus obtained retains the amorphous X-ray structure and has a very high specific surface area and a distorted structure as compared with the crystalline form of the corresponding metal fluoride. This disorder accounts for the observed pronounced Lewis acidity of Lewis acid metals as contained in the amorphous metal fluoride according to the present invention.
  • the present technique can be used especially for those metals selected from the group comprising Cr, Fe, V, Ga, Pb, Ca, Ba and Zn. Accordingly, the processes described in more detail herein for magnesium and aluminum, respectively, are also applicable to corresponding fluorides of these metals.
  • the metal fluoride may also be a mixed metal fluoride.
  • the amorphous metal fluoride prepared according to the invention is X-ray amorphous.
  • X-ray amorphous means that the microcrystalline domains of the solid, ie, the amorphous metal fluoride, are less than 20 nm in size.
  • a transmission electron microscopic study confirmed, at a magnification of 10 7 , that the amorphous metal fluoride according to the present invention, such as AlF 3, is in the form of very small solid particles that are partially agglomerated to form larger units. Further scanning electron microscopic studies revealed a mesoporous surface of the amorphous metal fluoride according to the present invention.
  • the peculiarities of the morphology and the pore structure of the amorphous metal fluoride according to the invention lead to a considerable increase of the catalytically active surface and thus of the catalytic activity.
  • the catalytically active metal fluorides according to the present invention are applicable to reactions where metal fluorides of the prior art can also be used.
  • the catalytically active metal fluorides can be used for the catalysis of halogen exchange reactions, with the replacement reactions of chlorinated hydrocarbons, chlorofluorohydrocarbons and fluorohydrocarbons being particularly preferred.
  • the catalytically active metal fluorides can be used in any catalytic reaction where a Lewis acid catalyst is used.
  • Further preferred reactions that can be catalyzed using the catalytically active metal fluorides of the present invention are the isomerization of haloperfluoroalkanes, wherein the haloperfluoroalkanes are preferably selected from the group consisting of chloro-bromo-fluoroethanes and propanes, the isomerization of olefins, wherein the olefin isomerization is preferably selected from the group consisting of alkene-1 to alkene-2, for example butene-1 to butene-2 isomerizations, in the Friedel-Crafts acylation reaction catalysis, the acylation reaction being preferably those selected from the Group consisting of benzoylation / acetylation of activated as well as deactivated aromatic systems, as well as in Friedel-Crafts alkylation reactions, wherein the alkylation reactions are preferably selected from the group consisting of the alkylation of aromatic rings.
  • the amorphous metal fluoride powders obtained by the process can be pressed into transparent ceramics, for example for applications in the optical field.
  • Methods for producing ceramics are known in the art and, for example in J. Lucas, F. Smektala, JL Adam, Fluorine in Optics, in J. Fluorine Chem. 114 (2002), 113-118.
  • the sol state of the metal fluorides prepared according to the invention can be used to produce thin amorphous metal fluoride layers on different substrates, such as Si, SiO 2 , metal or polymer material by dip coating, spin coating or other known methods.
  • substrates such as Si, SiO 2 , metal or polymer material
  • dip coating, spin coating or other known methods The corresponding methods are known in the art and described, for example, in CJ Brinker and GW Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.
  • Aluminum foil (0.27 g, 0.01 mol) was brought into contact with a very small amount of mercury (sphere of about 0.5 mm diameter).
  • a very small amount of mercury sphere of about 0.5 mm diameter.
  • 7.5 ml of a 4.4 molar methanolic hydrofluoric acid solution (0.033 mol) were added in a plastic vessel and made up to 25 ml with anhydrous methanol. The reaction was stirred at room temperature; The aluminum dissolved during 48 h. The resulting colorless, slightly viscous liquid could be easily separated from the unreacted mercury ball.
  • the resulting sol solution is applied by spin coating (at 5000 rpm) and dried at 25 ° C for 3 h and at 300 ° C for 1 h.
  • the surface was characterized by force field microscopy and ellipsometry, whereby a layer thickness of 50-60 nm was determined.
  • AIF 3 -SOI which can be described by the formula AlF 3 n (CH 3 ⁇ H), where n ⁇ 16, by heating in vacuo (120 ° C, 0.1 mbar, 6 h) the solvent is removed to give a white powder of AIF 3 having a carbon content of 0.9%.
  • the aluminum fluoride thus obtained is X-ray amorphous and has a specific surface of 252 m 2 / g.
  • the release of methanol was also monitored quantitatively by thermal analysis, with a 15.6% weight loss of the sample detected by thermogravimetry and differential thermogravimetry. The thermal effects were endothermic.
  • magnesium chips were mixed with 75 ml of a 2 molar methanolic hydrogen fluoride solution and stirred at room temperature. After 2 Days were decanted from the gray sediment. From the colorless supernatant solution, after removal of the excess methanol in vacuo, a nearly white solid was obtained which had a specific surface area (BET / N 2 ) of 348 m 2 / g. Despite the large surface area, the sample showed clear, albeit broad, reflections of MgF 2 in the X-ray powder diffraction gram.

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Abstract

The invention relates to a method for producing metal fluoride sols and gels, comprising the following steps: a) provision of a metal, b) provision of a dissolution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent, and c) reaction of the metal with the hydrogen fluoride dissolution in a non-aqueous solvent to form a metal fluoride sol.

Description

Verfahren zur Herstellung von Metallfluorid-Solen und -Gelen Process for the preparation of metal fluoride sols and gels
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols oder eines Metallfluorid-Gels sowie dessen Verwendung.The present invention relates to a process for producing a metal fluoride sol or a metal fluoride gel and to the use thereof.
Metallfluoride sind für die chemische, pharmazeutische und Keramikindustrie von großer Bedeutung. Insbesondere sind anorganische Materialien mit einer großen Oberfläche von zentraler Bedeutung beispielsweise bei der heterogenen Katalyse, wo die Aktivität eines Katalysators im hohen Maßen von seiner Oberfläche abhängt.Metal fluorides are of great importance to the chemical, pharmaceutical and ceramics industries. In particular, inorganic materials with a large surface area are of central importance in heterogeneous catalysis, for example, where the activity of a catalyst is highly dependent on its surface area.
Die Herstellung von Metallfluoriden kann über die Sol-Gel-Route erfolgen. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 04700458.5 beschrieben. Gemäß der dort offenbarten Lehre wird zuerst eine Metallfluoridvorläuferverbindung bereitgestellt, die typischerweise ein Alkoxid, ein Enolat oder das Salz einer Carbonsäure mit einer bevorzugten Kettenlänge von 1 bis 5 C- Atomen ist. Eine derartige Vorläuferverbindung wird sodann mit wasserfreiem Fluorwasserstoff in einem geeigneten Lösungsmittel umgesetzt, wobei nach Entfernung des Lösungsmittels eine als „Precursor" bezeichnete Zwischenverbindung erhalten wird. Diese wird gemäß EP 04700458.5 in einem zweiten Schritt mit einem Fluorierungsmittel umgesetzt.The preparation of metal fluorides can be carried out via the sol-gel route. Such a method is described for example in European patent application EP 04700458.5. According to the teaching disclosed therein, a metal fluoride precursor compound is typically provided, which is typically an alkoxide, an enolate or the salt of a carboxylic acid having a preferred chain length of 1 to 5 carbon atoms. Such a precursor compound is then reacted with anhydrous hydrogen fluoride in a suitable solvent to give, after removal of the solvent, an intermediate referred to as "precursor." This is reacted in a second step with a fluorinating agent according to EP 04700458.5.
Bei dem in der europäischen Patentanmeldung EP 04700458.5 beschriebenen Verfahren ist die Herstellung der Metallfluoridvorläuferverbindung mit einer koordinativ gebundenen organischen Gruppe mit einem gewissen Aufwand verbunden.In the process described in the European patent application EP 04700458.5, the production of the metal fluoride precursor compound with a coordinatively bound organic group is associated with a certain expense.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols und eines Metallfluorid-Gels bzw. ein Verfahren zur Herstellung von einem amorphen Metallfluorid bereitzustellen.The object of the present invention is thus to provide a process for the preparation of a metal fluoride sol and a metal fluoride gel or a process for the preparation of an amorphous metal fluoride.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Metallfluoride mit einer großen Oberfläche, bevorzugterweise einer Oberfläche von oder von mehr als 180 m2/g bereitzustellen, beispielsweise zur Verwendung als Katalysator. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Beschichtung auf der Grundlage von amorphem Metallfluorid und damit beschichtete Gegenstände bereitzustellen.It is a further object of the present invention to provide metal fluorides having a high surface area, preferably a surface area of, or greater than, 180 m 2 / g, for example, for use as a catalyst. Furthermore, it is the task of to provide a coating based on amorphous metal fluoride and articles coated therewith.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem ersten Aspekt gelöst durch ein Metallfluorid- SoI und ein Metallfluorid-Gel umfassend die Schritte:This object is achieved according to the invention in a first aspect by a metal fluoride sol and a metal fluoride gel comprising the steps:
a) Bereitstellen eines Metalles, b) Bereitstellen einer Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwäßrigen Lösungsmittel, und c) Umsetzen des Metalles mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwässrigen Lösungsmittel zur Ausbildung eines Metallfluorid-Sols.a) providing a metal, b) providing a solution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent, and c) reacting the metal with the solution of hydrogen fluoride in a nonaqueous solvent to form a metal fluoride sol.
In einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall ein Metall der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe oder einer Nebengruppe des Periodensystems ist, wobei das Redoxpotential des Metalls im jeweiligen Lösungsmittel negativer ist als das von H2.In one embodiment of the first aspect it is provided that the metal is a metal of the second, third or fourth main group or a subgroup of the periodic table, wherein the redox potential of the metal in the respective solvent is more negative than that of H 2 .
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Aluminium, Zink, Blei, Seltene Erden umfasst.In a preferred embodiment of the first aspect, it is provided that the metal is selected from the group comprising magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, zinc, lead, rare earths.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die Magnesium und Aluminium umfasst.In a preferred embodiment of the first aspect, it is provided that the metal is selected from the group comprising magnesium and aluminum.
In einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem auf Fluorwasserstoff bezogen stöchiometrischen Verhältnis oder mit einem Überschuss an Fluorwasserstoff umgesetzt wird.In a further embodiment of the first aspect, it is provided that the metal is reacted with the solution of hydrogen fluoride in a stoichiometric ratio based on hydrogen fluoride or with an excess of hydrogen fluoride.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Alkohol ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Methanol, Ethanol, Propanol, iso-Propanol, Butanol, iso-Butanol, tert.-Butanol, Methoxyethanol, Ethoxyethanol umfasst. In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass der Alkohol bis zu 4% Wasser enthält.In yet another embodiment of the first aspect, the non-aqueous solvent is an alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, butanol, iso-butanol, tert-butanol, methoxyethanol, Ethoxyethanol includes. In yet another embodiment of the first aspect, it is contemplated that the alcohol contains up to 4% water.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Ether oder ein Keton oder ein Sulfoxid ist.In yet another embodiment of the first aspect, it is contemplated that the nonaqueous solvent is an ether or a ketone or a sulfoxide.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die Umsetzung von Schritt c) bei Raumtemperatur und Standarddruck erfolgt.In yet another embodiment of the first aspect, it is provided that the reaction of step c) takes place at room temperature and standard pressure.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel einen Gehalt an Lösungsmittel von 50 Mol% bis 99,9 Mol%, bevorzugterweise von 70 Mol% bis 99 Mol% aufweist.In yet another embodiment of the first aspect, it is contemplated that the metal fluoride sol or metal fluoride gel has a solvent content of from 50 mole% to 99.9 mole%, preferably from 70 mole% to 99 mole%.
In einer noch weiteren Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metall eine Legierung oder Mischung aus zwei oder mehr Metallen ist.In yet another embodiment of the first aspect, it is contemplated that the metal is an alloy or mixture of two or more metals.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel, erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren.In a second aspect of the invention, the object is achieved by a metal fluoride sol or metal fluoride gel obtainable by a process according to the invention.
In einer noch weiteren Ausfuhrungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass es weiterhin den Schritt umfasst:In a still further embodiment of the first aspect it is provided that it further comprises the step:
d) Entfernung der volatilen Bestandteile aus dem in Schritt c) erhaltenen Reaktionsproduktes.d) removal of the volatile constituents from the reaction product obtained in step c).
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die volatilen Bestandteile durch eine Hitzebehandlung entfernt werden.In a preferred embodiment of the first aspect, it is provided that the volatile constituents are removed by a heat treatment.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass die Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 30 bis 5000C, bevorzugterweise von 70 bis 2500C erfolgt. In einer alternativen Ausfuhrungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass dieIn a preferred embodiment of the first aspect it is provided that the heat treatment at a temperature of 30 to 500 0 C, preferably from 70 to 250 0 C takes place. In an alternative embodiment of the first aspect, it is provided that the
Hitzebeha innddlung im Vakuum bei einem Druck von 800 bis 10"3 mbar, bevorzugterweise von 100 bis 10'' mbar erfolgt.Hitzebeha innddlung in vacuo at a pressure of 800 up to 10 "3 mbar, preferably takes place '' from 100 to 10 mbar.
In einer Ausführungsform des ersten Aspektes ist vorgesehen, dass das Verfahren ein Verfahren zur Herstellung eines amorphen Metallfluorids ist.In one embodiment of the first aspect, it is provided that the method is a method for producing an amorphous metal fluoride.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Metall vor seiner Umsetzung mit der Lösung von Fluorwasserstoff aktiviert. Die Aktivierung überführt das Metall in einen Zustand, der eine Reaktion mit der Lösung von Fluorwasserstoff erlaubt oder beschleunigt. In einer besonderen Ausführungsform dient die Aktivierung der Beseitigung der Passivierung des Metalls. Entsprechende Mittel sind den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt und umfassen, beispielsweise, die Umsetzung des Metalls mit Quecksilber, das bei Verwendung von Al als Metall, diesbezüglich besonders bevorzugt ist.In another embodiment, the metal is activated prior to its reaction with the solution of hydrogen fluoride. Activation converts the metal to a state that allows or accelerates reaction with the solution of hydrogen fluoride. In a particular embodiment, the activation serves to eliminate the passivation of the metal. Appropriate means are known to those skilled in the art and include, for example, the reaction of the metal with mercury, which is particularly preferred when using Al as the metal.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt, dass das Metall in einen Kohlenstoff-haltigen Vorläufer („precursor") überführt wird, der dann weiter mit Fluorwasserstoff und/oder in einem Fluorwasserstoff-haltigen nicht- wässrigen Lösungsmittel umgesetzt wird.In a further embodiment, the method of the invention comprises the step of converting the metal to a carbon precursor which is then further reacted with hydrogen fluoride and / or in a non-aqueous solvent containing hydrogen fluoride.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein amorphes Metallfluorid, das durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere durch eine Verfahren gemäß dem ersten Aspekt erhältlich ist.In a third aspect of the invention, the object is achieved by an amorphous metal fluoride obtainable by a method according to the invention, in particular by a method according to the first aspect.
In einem vierten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche, bevorzugterweise zum Filmbeschichten einer Oberfläche, umfassend die Schritte:In a fourth aspect of the invention, the object is achieved by a method for coating a surface, preferably for film-coating a surface, comprising the steps:
a) Bereitstellen einer Oberfläche,a) providing a surface,
b) Bereitstellen eines Metallfluorid-Sols oder Metallfluorid-Gels c) Beschichten des Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols auf eine Oberfläche undb) providing a metal fluoride sol or metal fluoride gel c) coating the metal fluoride gel or metal fluoride sol on a surface and
d) optional Entfernen des Lösungsmittels aus dem SoI oder Gel.d) optionally removing the solvent from the sol or gel.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vierten Aspektes ist vorgesehen, dass das Metallfluorid-Sol oder das Metallfluorid-Gel durch ein Verfahren nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform bereitgestellt wird oder ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist.In a preferred embodiment of the fourth aspect, it is provided that the metal fluoride sol or the metal fluoride gel is provided by a method according to an embodiment of the invention or is a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to an embodiment of the invention.
In einem fünften Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Metallfluorid-Sol oder -Gel nach den zweiten Aspekt für die Herstellung einer Beschichtung, bevorzugterweise einer Schutzbeschichtung, einer Antireflexionsbeschichtung oder einer katalytisch aktiven Schicht auf einem geeigneten Träger.In a fifth aspect of the invention, the object is achieved by a metal fluoride sol or gel according to the second aspect for the production of a coating, preferably a protective coating, an antireflection coating or a catalytically active layer on a suitable support.
In einem sechsten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Metallfluorids nach dem dritten Aspekt, für die Herstellung von Keramiken, bevorzugterweise durchsichtiger Keramiken.In a sixth aspect of the invention, the object is achieved by the use of a metal fluoride according to the third aspect, for the production of ceramics, preferably transparent ceramics.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols nach den zweiten Aspekt für die Herstellung von mit Metallfluorid beschichteten Fasern oder Wellenleitern.In a further aspect of the invention, the object is achieved by the use of a metal fluoride gel or metal fluoride sol according to the second aspect for the production of metal fluoride coated fibers or waveguides.
In einem siebten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Gegenstand umfassend ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach dem zweiten Aspekt, wobei der Gegenstand ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Glassscheiben, Kathodenstrahlröhren, Flüssigkristallanzeigen, Metalloberflächen und Linsen.In a seventh aspect of the invention, the object is achieved by an article comprising a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to the second aspect, wherein the article is selected from the group comprising glass sheets, cathode ray tubes, liquid crystal displays, metal surfaces and lenses.
Diese und weitere der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden auch durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die vorliegenden Erfinder haben überraschend festgestellt, dass statt der Verwendung von Metallverbindungen mit einer koordinativ gebundenen organischen Gruppe auch Metalle direkt als Edukte für die Erzeugung eines Metallfluorid-Sols oder -Gels verwendet werden können, die dann ihrerseits wiederum zur Herstellung eines amorphen Metallfluorids gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Gemäß der von den vorliegenden Erfindern bereitgestellten technischen Lehre soll, vorzugsweise, die bei dieser Reaktion eingesetzte Lösungsmittelmenge, bezogen auf die Metallmenge, so groß sein, dass das Produkt flüssig, d. h. ein SoI ist und nicht ein festes Gel. Anderenfalls könnte die Umsetzung so stark durch das entstehende Gel behindert werden, dass sie nicht vollständig abläuft. Das solchermaßen erhaltene SoI kann problemlos aufkonzentriert werden, um ein Gel zu erhalten, sofern die Notwendigkeit für die Herstellung eines Gels besteht.These and other objects underlying the present invention are also achieved by the subject matter of the independent claims. Preferred embodiments will be apparent from the dependent claims. The present inventors have surprisingly found that instead of using metal compounds having a coordinatively bonded organic group, metals can also be used directly as starting materials for the production of a metal fluoride sol or gel, which in turn is used to produce an amorphous metal fluoride according to the present invention Invention can be used. According to the technical teaching provided by the present inventors, preferably, the amount of solvent used in this reaction, based on the amount of metal, should be so large that the product is liquid, ie, a sol and not a solid gel. Otherwise, the reaction could be hindered so much by the resulting gel that it does not run completely. The sol thus obtained can easily be concentrated to obtain a gel, if there is a need for the preparation of a gel.
Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das als Lösungsmittel für den Fluorwasserstoff dienende nichtwässrige Lösungsmittel so stark solvatisierend wirkt, dass das Metallfluorid als SoI in Lösung überfuhrt wird. Dies konnte aufgrund der bisherigen Beobachtungen und Annahmen des Standes der Technik aus den folgenden Gründen nicht erwartet werden.The present invention is further based on the surprising finding that, in the context of the process according to the invention, the nonaqueous solvent serving as solvent for the hydrogen fluoride acts so strongly solvating that the metal fluoride is converted into solution as sol. This could not be expected on the basis of previous observations and assumptions of the prior art for the following reasons.
Bei der Umsetzung eines Metalls mit Fluorwasserstoffsäure kommt es häufig nur zu einer Oberflächenreaktion des Metalls, da das gebildete unlösliche Metallfluorid das darunter liegende Metall vor weiterem Angriff schützt. Dieser Vorgang ist als „Passivierung" bekannt und wird z. B. bei Aluminium und Magnesium oder auch Eisen beobachtet. Im Gegensatz dazu führt die Verwendung von wässriger Fluorwasserstofflösung, die auch als Flusssäure bezeichnet wird, häufig zu einem fortschreitenden Angriff, da sich das gebildete Metallfluorid im Wasser löst. Wird jedoch Wasser durch ein nichtwässriges Lösungsmittel wie beispielsweise Alkohol ersetzt, wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung gelehrt, so war ein analoges Verhalten insoweit nicht zu erwarten, als dass sich die infragestehenden Metallfluoride und insbesondere weder Aluminiumfluorid noch Magnesiumfluorid in einem nichtwässrigen Lösungsmittel lösen. Weiter gilt es zu beachten, dass das bei der Umsetzung von Metallalkoxid mit HF in Alkohol, wie dies beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 04700458.5 gelehrt wird, gebildete SoI oder Gel, erstens, keine echte Lösung wie im Falle von Wasser ist, und, zweitens, die Sol/Gel-Bildung gerade so verstanden wurde, dass sie an die Metall-organischen Ausgangsverbindung gebunden ist, indem unter partiellem Erhalt der Struktur zunächst nur eine teilweise Substitution der Alkoxidgruppen durch Fluorid stattfindet. Andererseits war nach dem bisherigen Verständnis die bei Aluminium und Magnesium beobachtete Bildung eines Metallfluorid-Sols bei der Reaktion mit alkoholischer HF-Lösung auch nicht mit einer 2-Schritt-Reaktion zu erklären, bei der zunächst das Metall unter Bildung des jeweiligen Alkoholats reagiert und im zweiten Schritt dieses Alkoholat mit HF reagiert, da Alkohol als Säure wesentlich schwächer ist als Fluorwasserstoffsäure. Vor diesem Hintergrund war somit nicht zu erwarten, dass der als Lösungsmittel für den Fluorwasserstoff verwendete Alkohol bzw. die nichtwässrigen Lösungsmittel eine so stark solvatisierende Wirkung entfalten würde, dass das Metallfluorid als SoI in Lösung überführt werden würde. Das SoI wiederum kann zu einem Gel erstarren, wie den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt und, beispielsweise, beschrieben in C. J. Brinker und G. W. Scher er, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.In the reaction of a metal with hydrofluoric acid, there is often only a surface reaction of the metal, since the insoluble metal fluoride formed protects the underlying metal from further attack. This process is known as "passivation" and is observed, for example, with aluminum and magnesium or iron, whereas the use of aqueous hydrofluoric acid solution, also called hydrofluoric acid, often leads to a progressive attack, as the product formed is However, when water is replaced by a nonaqueous solvent such as alcohol as taught in the present invention, an analogous behavior was not expected to occur in that the metal fluorides in question, and especially neither aluminum fluoride nor magnesium fluoride, were in a nonaqueous state Further, it should be noted that the sol or gel formed in the reaction of metal alkoxide with HF in alcohol, as taught, for example, in European Patent Application EP 04700458.5, first, is not a true solution as in the case of water, and, second, the sol / gel formation g erade understood that way was that it is bound to the metal-organic starting compound by initially taking partial retention of the structure only a partial substitution of the alkoxide groups by fluoride takes place. On the other hand, according to the previous understanding, the formation of a metal fluoride sol observed in aluminum and magnesium in the reaction with alcoholic HF solution could not be explained by a 2-step reaction in which the metal first reacts to form the respective alkoxide and second step reacts this alkoxide with HF, since alcohol as acid is much weaker than hydrofluoric acid. Against this background, it was therefore unlikely that the alcohol or non-aqueous solvents used as solvents for the hydrogen fluoride would have such a strong solvating effect that the metal fluoride would be converted into solution as sol. The sol, in turn, can solidify into a gel as known to those skilled in the art and, for example, described in CJ Brinker and GW Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.
Wie hierin in einer bevorzugten Ausführungsform verwendet bezeichnet der Begriff des nicht-wässrigen Lösungsmittel ein Lösungsmittel, das frei ist von Wasser, bevorzugterweise im Wesentlichen frei ist von Wasser. Es ist jedoch auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass in einigen Ausführungsformen Wasser in dem nicht-wässrigen Lösungsmittel vorhanden ist, wobei der Umfang des Wassergehaltes jedoch so ist, dass die vorstehend beschriebene Reaktion und insbesondere die Ausbildung des Metallfluorids-Sols wie hierin offenbart, nicht oder nicht wesentlich beeinflusst wird. Derartige Mengen von Wasser können, beispielsweise, dadurch bedingt werden, dass der für die Umsetzung benötigte Fluorwasserstoff als hochkonzentrierte, beispielsweise 70 %-ige, wässrige Lösung dem nicht- wässrigen System zugesetzt wird, insbesondere wenn es sich bei dem nicht-wässrigen System um ein alkoholisches Lösungsmittel oder Lösungsmittelsystem handelt.As used herein in a preferred embodiment, the term nonaqueous solvent refers to a solvent that is free of water, preferably substantially free of water. However, it is also within the scope of the present invention that, in some embodiments, water is present in the non-aqueous solvent, but the amount of water content is such that the reaction described above, and in particular the formation of the metal fluoride sol as disclosed herein, not or not materially affected. Such amounts of water may, for example, be due to the fact that the required for the reaction of hydrogen fluoride is added as a highly concentrated, for example, 70% aqueous solution to the non-aqueous system, especially when it is in the non-aqueous system to a alcoholic solvent or solvent system.
Nicht zuletzt infolge dieses Reaktionsmechanismus können als Metalle im Sinne der vorliegenden Erfindung alle Metalle und Gemische bzw. Legierungen aus solchen Metallen verstanden werden, deren Redoxpotential im jeweiligen nichtwässrigen Lösungsmittel geringer als dem von Wasserstoff ist, d. h. die unedler als Wasserstoff sind. Auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Metallfluorid- SoIs und eines Metallfluorid-Gels kann sodann ein amorphes Metallfluorid mit den hierin beschriebenen Eigenschaften hergestellt werden. Dazu wird von dem Metallfluorid-Sol ausgegangen, dessen volatile Bestandteile wie beispielsweise das nichtwässrige Lösungsmittel entfernt wird, bevorzugterweise unter Vakuum, wodurch üblicherweise ein Feststoff erhalten wird. Dieser Feststoff entspricht in seinen Einsatzmöglichkeiten dem gemäß EP 04700458.5 herstellbaren „Precursor". Dabei ist anzumerken, dass typischerweise ein bestimmter Gehalt des nichtwässrigen Lösungsmittels, das bei der Herstellung des Metallfluorid-Sols verwendet wird, weiter in der Kristallstruktur verbleibt und es infolgedessen zu einer Störung der regelmäßigen Kristallstruktur kommt, was letztendlich den amorphen Charakter des solchermaßen hergestellten Metallfluorids bedingt.Not least as a result of this reaction mechanism can be understood as metals in the context of the present invention, all metals and mixtures or alloys of such metals whose redox potential in the respective nonaqueous solvent is less than that of hydrogen, ie, the less noble than hydrogen. On the basis of the method according to the invention for producing a metal fluoride sol and a metal fluoride gel, it is then possible to produce an amorphous metal fluoride having the properties described herein. This is based on the metal fluoride sol whose volatile components such as the nonaqueous solvent is removed, preferably under vacuum, whereby a solid is usually obtained. It is to be noted that typically a certain content of the non-aqueous solvent used in the preparation of the metal fluoride sol remains in the crystal structure and as a result it becomes a disorder the regular crystal structure comes, which ultimately causes the amorphous character of the thus prepared metal fluoride.
Das solchermaßen erhaltene amorphe Metallfluorid kann mit jedem der in EP 04700458.5 beschriebenen Verfahren nachfluoriert werden. Bevorzugterweise erfolgt die Umsetzung mit dem Fluorierungsmittel bei einer erhöhten Temperatur, die jedoch unterhalb der Kristallisationstemperatur des Metallfluorids liegt. Bevorzugte Temperaturbereiche betragen somit 350°C oder weniger, 200°C oder weniger und 1000C oder 70°C oder weniger. Typischerweise wird dabei, sofern noch vorhanden, der Gehalt an organischen Verbindungen quantitativ verringert, wobei bevorzugterweise der Kohlenstoffgehalt bezogen auf das amorphe Metallfluorid weniger als 1 % beträgt. Ein geeignetes Fluorierungsmittel ist typischerweise CHgClhF4-g-h , wobei die Summe aus g + h gleich einer Zahl, bevorzugterweise einer ganzen Zahl von 1 bis 3 ist, oder gasförmiger Fluorwasserstoff. CHgClhF4.g-h wird typischerweise gasförmig, mit einem inerten Gas wie beispielsweise N2 verdünnt, wobei der CHgClhF4.g.h Partialdruck 5 bis 1500 mbar, vorzugsweise 25 bis 300 mbar beträgt, oder in reiner, nicht verdünnter Form, bei einer Temperatur von 25°C bis 45O0C, vorzugsweise von 5O0C bis 3000C, verwendet werden. Der gasförmige Fluorwasserstoff wird typischerweise mit einem Inertgas wie beispielsweise N2 oder anderen Gasen verdünnt verwendet, oder in reiner, nicht verdünnter Form in einem Temperaturbereich zwischen 30 bis 3000C, bevorzugterweise 75 bis 18O0C verwendet Der Fluorwasserstoffpartialdruck beträgt 50 bis 1500 mbar. Bevorzugterweise 350 bis 600 mbar. Typischerweise wird die Fluorierungsreaktion in einem Metallröhrenreaktor durchgeführt. Das so erhaltene katalytisch aktive Festmaterial behält die amorphe Röntgenstruktur bei und weist eine sehr hohe spezifische Oberfläche und eine verzerrte Struktur verglichen mit der kristallinen Form des entsprechenden Metallfluorids auf. Diese Störung ist für die beobachtete ausgesprochen hohe Lewis-Azidität von Lewis-Säuremetallen, wie sie in dem amorphen Metallfluorid gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind, verantwortlich.The amorphous metal fluoride thus obtained can be post-fluorinated by any of the methods described in EP 04700458.5. Preferably, the reaction with the fluorinating agent is carried out at an elevated temperature, but below the crystallization temperature of the metal fluoride. Preferred temperature ranges thus be 350 ° C or less, 200 ° C or less and 100 0 C or 70 ° C or less. Typically, while still present, the content of organic compounds is reduced quantitatively, wherein preferably the carbon content based on the amorphous metal fluoride is less than 1%. A suitable fluorinating agent is typically CH g Cl h F 4 -gh , where the sum of g + h is equal to a number, preferably an integer from 1 to 3, or gaseous hydrogen fluoride. CH g Cl h F 4 . gh is typically gaseous, diluted with an inert gas such as N 2 , where the CH g Cl h F 4 .g. h partial pressure 5 to 1500 mbar, preferably 25 to 300 mbar, or in pure, non-diluted form, at a temperature of 25 ° C to 45O 0 C, preferably from 5O 0 C to 300 0 C, are used. The gaseous hydrogen fluoride is typically an inert gas such as N 2 or other gases used diluted, or in a pure, non-diluted form in a temperature range between 30 to 300 0 C, preferably 75 is used to 18O 0 C the Fluorwasserstoffpartialdruck is 50 to 1500 mbar. Preferably 350 to 600 mbar. Typically, the fluorination reaction is carried out in a metal tube reactor. The catalytically active solid material thus obtained retains the amorphous X-ray structure and has a very high specific surface area and a distorted structure as compared with the crystalline form of the corresponding metal fluoride. This disorder accounts for the observed pronounced Lewis acidity of Lewis acid metals as contained in the amorphous metal fluoride according to the present invention.
Neben der Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumfluorid- oder Aluminiumfluorid-Solen und -Gelen kann die vorliegende Technik insbesondere auch für solche Metalle verwendet werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind umfassend Cr, Fe, V, Ga, Pb, Ca, Ba und Zn. Entsprechend sind die Verfahren, die hierin detaillierter für Magnesium bzw. Aluminium beschrieben sind, auch auf entsprechende Fluoride dieser Metalle anwendbar.In addition to using the methods of the invention for the preparation of magnesium fluoride or aluminum fluoride sols and gels, the present technique can be used especially for those metals selected from the group comprising Cr, Fe, V, Ga, Pb, Ca, Ba and Zn. Accordingly, the processes described in more detail herein for magnesium and aluminum, respectively, are also applicable to corresponding fluorides of these metals.
Darüber hinaus ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass das Metallfluorid auch ein gemischtes Metallfluorid sein kann.Moreover, it is within the scope of the present invention that the metal fluoride may also be a mixed metal fluoride.
Das gemäß der Erfindung hergestellte amorphe Metallfluorid ist Röntgen-amorph. Wie hierin verwendet bezeichnet der Begriff Röntgen-amorph, dass die mikrokristallinen Domänen des Feststoffes, d. h. des amorphen Metallfluorids, eine Größe von weniger als 20 nm aufweisen. Eine transmissionselektronenmikroskopische Studie bestätigte bei einer Vergrößerung von 107, dass das amorphe Metallfluorid gemäß der vorliegenden Erfindung wie beispielsweise AlF3 in Form sehr kleiner Feststoffpartikel vorliegt, die teilweise agglomeriert sind, um größere Einheiten auszubilden. Weitere rasterelektronenmikroskopische Studien ergaben eine mesoporöse Oberfläche des amorphen Metallfluorides gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Besonderheiten der Morphologie und die Porenstruktur des amorphen Metallfluorids gemäß der Erfindung führen zu einer erheblichen Erhöhung der katalytisch aktiven Oberfläche und somit der katalytischen Aktivität.The amorphous metal fluoride prepared according to the invention is X-ray amorphous. As used herein, the term X-ray amorphous means that the microcrystalline domains of the solid, ie, the amorphous metal fluoride, are less than 20 nm in size. A transmission electron microscopic study confirmed, at a magnification of 10 7 , that the amorphous metal fluoride according to the present invention, such as AlF 3, is in the form of very small solid particles that are partially agglomerated to form larger units. Further scanning electron microscopic studies revealed a mesoporous surface of the amorphous metal fluoride according to the present invention. The peculiarities of the morphology and the pore structure of the amorphous metal fluoride according to the invention lead to a considerable increase of the catalytically active surface and thus of the catalytic activity.
BET-Messungen unter Verwendung von N2, wie sie in der Technik bekannt sind und beispielsweise mit einem ASAP2001 -Gerät (Micromeritics) bei 77 K bestimmt werden, führen zu Oberflächenwerten von > 250 m2/g. Auch Festkörper-NMR-Studien des zentralen AI-Atoms, können verwendet werden, um die Nahordnung am Aluminium zu bestimmen und zwischen verschiedenen AI-Spezies zu unterscheiden. Die stark gestörte Ordnung des AIF3- Gitters sind für den Röntgen-amorphen Zustand des Feststoffes, d. h. des amorphen Metallfluorides gemäß der vorliegenden Erfindung ebenso wie für die erwünschte und beabsichtigte Erhöhung der katalytischen Aktivität verantwortlich. Die stark gestörte Gitterstruktur des amorphen Metallfluorids gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch durch IR-spektroskopische Studien bestätigt. Der experimentelle Nachweis einer erhöhten Lewis-Azidität kann durch Pyridin-Adsorption und NH3-TPD, wie im Stand der Technik beschrieben, erbracht werden.BET measurements using N 2, as are known in the art and can be determined for example with a ASAP2001 IPMENT (Micromeritics) at 77 K, leading to surface values of> 250 m 2 / g. Solid-state NMR studies of the central Al atom can also be used to determine the proximity order on aluminum and to differentiate between different AI species. The highly disordered order of the AIF 3 lattice is responsible for the x-ray amorphous state of the solid, ie, the amorphous metal fluoride of the present invention, as well as the desired and intended increase in catalytic activity. The strongly disordered lattice structure of the amorphous metal fluoride according to the present invention is also confirmed by IR spectroscopic studies. The experimental evidence of increased Lewis acidity can be provided by pyridine adsorption and NH 3 -TPD as described in the prior art.
Die katalytisch aktiven Metallfluoride gemäß der vorliegenden Erfindung sind bei Reaktionen anwendbar, wo auch Metallfluoride des Standes der Technik verwendet werden können. Darüber hinaus können die katalytisch aktiven Metallfluoride verwendet werden für die Katalyse von Halogen-Austauschreaktionen, wobei die Austauschreaktionen von Chlorkohlenwasserstoffen, Chlorfluorkohlenwasserstoffen und Fluorkohlenwasserstoffen besonders bevorzugt sind. Auch können die katalytisch aktiven Metallfluoride in irgendeiner katalytischen Reaktion verwendet werden, wo ein Lewis-Säurekatalysator verwendet wird. Weitere bevorzugte Reaktionen, die unter Verwendung der katalytisch aktiven Metallfluoride der vorliegenden Erfindung katalysiert werden können, sind die Isomerisierung von Haloperfluoralkanen, wobei die Haloperfluoralkane bevorzugterweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Chlor/Brom-Fluorethanen und -Propanen, die Isomerisierung von Olefinen, wobei die Olefinisomerisierung bevorzugterweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alken- 1- zu Alken-2-, beispielsweise Buten- 1- zu Buten-2-Isomerisierungen, bei der Friedel-Crafts-Acylierungsreaktionskatalyse, wobei die Acylierungsreaktion bevorzugterweise jene sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Benzoylierung/Acetylierung von aktivierten ebenso wie deaktivierten aromatischen Systemen, sowie bei Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktionen, wobei die Alkylierungsreaktionen bevorzugterweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus der Alkylierung von aromatischen Ringen.The catalytically active metal fluorides according to the present invention are applicable to reactions where metal fluorides of the prior art can also be used. In addition, the catalytically active metal fluorides can be used for the catalysis of halogen exchange reactions, with the replacement reactions of chlorinated hydrocarbons, chlorofluorohydrocarbons and fluorohydrocarbons being particularly preferred. Also, the catalytically active metal fluorides can be used in any catalytic reaction where a Lewis acid catalyst is used. Further preferred reactions that can be catalyzed using the catalytically active metal fluorides of the present invention are the isomerization of haloperfluoroalkanes, wherein the haloperfluoroalkanes are preferably selected from the group consisting of chloro-bromo-fluoroethanes and propanes, the isomerization of olefins, wherein the olefin isomerization is preferably selected from the group consisting of alkene-1 to alkene-2, for example butene-1 to butene-2 isomerizations, in the Friedel-Crafts acylation reaction catalysis, the acylation reaction being preferably those selected from the Group consisting of benzoylation / acetylation of activated as well as deactivated aromatic systems, as well as in Friedel-Crafts alkylation reactions, wherein the alkylation reactions are preferably selected from the group consisting of the alkylation of aromatic rings.
Die nach dem Verfahren erhaltenen amorphen Metallfluorid-Pulver können zu transparenten Keramiken gepresst werden, beispielsweise für Anwendungen im optischen Bereich. Verfahren zum Herstellen von Keramiken sind in der Technik bekannt und beispielsweise beschrieben in J. Lucas, F. Smektala, J. L. Adam, Fluorine in Optics, in J. Fluorine Chem. 114 (2002), 113-118.The amorphous metal fluoride powders obtained by the process can be pressed into transparent ceramics, for example for applications in the optical field. Methods for producing ceramics are known in the art and, for example in J. Lucas, F. Smektala, JL Adam, Fluorine in Optics, in J. Fluorine Chem. 114 (2002), 113-118.
Der erfindungsgemäß hergestellte Sol-Zustand der Metallfluoride kann zur Erzeugung dünner amorpher Metallfluoridschichten auf unterschiedlichen Unterlagen, wie beispielsweise Si, SiO2, Metall oder Polymermaterial durch Dip-Coating, Spin-Coating oder andere bekannte Verfahren genutzt werden. Die entsprechenden Verfahren sind in der Technik bekannt und beispielsweise beschrieben in C. J. Brinker und G. W. Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.The sol state of the metal fluorides prepared according to the invention can be used to produce thin amorphous metal fluoride layers on different substrates, such as Si, SiO 2 , metal or polymer material by dip coating, spin coating or other known methods. The corresponding methods are known in the art and described, for example, in CJ Brinker and GW Scherer, Sol-Gel Science, Academic Press, Boston 1990.
Beispiel 1: Herstellung von methanolischem AluminiumfluoridgelExample 1: Preparation of methanolic aluminum fluoride gel
Aluminiumfolie (0,27 g; 0,01 mol) wurde mit einer sehr kleinen Menge Quecksilber (Kugel von ca. 0,5 mm Durchmesser) in Kontakt gebracht. Zu dem amalgamierten Aluminium wurden in einem Kunststoffgefäß 7,5 ml einer 4,4 molaren methanolischen Fluorwasserstofflösung (0,033 mol) gegeben und mit wasserfreiem Methanol auf 25 ml aufgefüllt. Der Ansatz wurde bei Zimmertemperatur gerührt; dabei löste sich während 48 h das Aluminium auf. Die entstandene farblose, gering viskose Flüssigkeit konnte von der nichtumgesetzten Quecksilberkugel leicht abgetrennt werden. Der nach dem Abziehen von Methanol im Vakuum bei 70° C erhaltene weiße Feststoff entsprach in seinem Fluor- und Kohlenstoffgehalt und seinem Verhalten bei der Thermoanalyse völlig der technischen Lehre von EP 04700458.5 hergestellten Vorläufermolekül, dort als „precursor" bezeichnet, und konnte durch Behandlung mit CCl2F2 bei max. 280° C im Strömungsreaktor zu einem HS- AlF3 (high surface aluminium fluoride) mit den in EP 04700458.5 beschriebenen Eigenschaften nachfluoriert werden.Aluminum foil (0.27 g, 0.01 mol) was brought into contact with a very small amount of mercury (sphere of about 0.5 mm diameter). To the amalgamated aluminum, 7.5 ml of a 4.4 molar methanolic hydrofluoric acid solution (0.033 mol) were added in a plastic vessel and made up to 25 ml with anhydrous methanol. The reaction was stirred at room temperature; The aluminum dissolved during 48 h. The resulting colorless, slightly viscous liquid could be easily separated from the unreacted mercury ball. The white solid obtained after removal of methanol in vacuo at 70 ° C corresponded in its fluorine and carbon content and its behavior in the thermal analysis completely the technical teaching of EP 04700458.5 prepared precursor molecule, there referred to as "precursor", and by treatment with CCl 2 F 2 at a maximum of 280 ° C. in the flow reactor to give a HF-AlF 3 (high surface aluminum fluoride) having the properties described in EP 04700458.5 are post-fluorinated.
Beispiel 2: Herstellung von AluminiumfluoridbeschichtungenExample 2: Preparation of Aluminum Fluoride Coatings
5,4 g AI-Pulver (0,2 mol) werden unter Rühren zu 75 mL einer 16%igen HF/CH3OH-Lösung (0,6 mol) gegeben. Zur Vervollständigung der Reaktion werden nach 3 h noch 30 mL CH3OH und 30 mg HgCl2 hinzugefugt. Nach weiterem Rühren und anschließendem Filtrieren wird eine klare Sol-artige Lösung von solvatisiertem AlF3 erhalten, die im 19F-NMR Spektrum die charakteristischen Peaks bei -164 ppm und -174 ppm zeigt.5.4 g of Al powder (0.2 mol) are added with stirring to 75 mL of 16% HF / CH 3 OH solution (0.6 mol). To complete the reaction, 30 mL of CH 3 OH are still after 3 h and 30 mg HgCl 2 added. After further stirring and subsequent filtration, a clear sol-like solution of solvated AlF 3 is obtained which shows in the 19 F-NMR spectrum the characteristic peaks at -164 ppm and -174 ppm.
a) Zur Erzeugung einer A1F3-Schicht auf einer Si-Oberfläche wird die erhaltene Sol-Lösung mittels Spin-Coating (bei 5000 rpm) aufgetragen und 3 h bei 25°C und 1 h bei 300°C getrocknet. Die Oberfläche wurde durch Kraftfeld-Mikroskopie und Ellipsometrie charakterisiert, wobei eine Schichtdicke von 50-60 nm ermittelt wurde.a) To produce an A1F 3 layer on a Si surface, the resulting sol solution is applied by spin coating (at 5000 rpm) and dried at 25 ° C for 3 h and at 300 ° C for 1 h. The surface was characterized by force field microscopy and ellipsometry, whereby a layer thickness of 50-60 nm was determined.
b) Sphärische (X-AI2O3 Pellets (0 ca. 3 mm) werden mit dem solchermaßen erhaltenen AIF3- SoI imprägniert. Nach dem Trocknen bei Temperaturen von 25-50°C werden die Pellets wie in EP 04700458.5 beschrieben in einem N2-verdünnten CHClF2-StTOm bei Temperaturen von 25-2800C nachbehandelt. Der so erhaltene geträgerte A1F3-Katalysator besteht gemäß gravimetrischer Analyse aus 95% α-Al2θ3 und 5% AIF3, und er zeigte in eine hohe katalytische Aktivität für CHC1F2-Dismutierung, vergleichbar der in EP 04700458.5 für HS- AIF3 beschriebenen.b) Spherical (X-Al 2 O 3 pellets (about 3 mm diameter) are impregnated with the thus obtained AIF 3 - sol.) After drying at temperatures of 25-50 ° C., the pellets are treated as described in EP 04700458.5 N 2 -verdünnten CHClF 2 -StTOm at temperatures of 25-280 0 C-treated. The supported A1F thus obtained 3 catalyst is made in accordance with gravimetric analysis 95% α-Al 2 θ 3 and 5% AlF 3, and showed a high catalytic activity for CHC1F 2 dismutation, comparable to that described in EP 04700458.5 for HS-AIF 3 .
c) Aus dem solchermaßen erhaltenen AIF3-S0I, das durch die Formel AlF3 n(CH3θH) beschrieben werden kann, mit n ~ 16, wird durch Erhitzen im Vakuum (120°C, 0,1 mbar, 6 h) das Lösungsmittel entfernt, wobei ein weißes Pulver von AIF3 mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,9% erhalten wird. Das so erhaltene Aluminiumfluorid ist Röntgen-amorph und weist eine spezifische Oberfläche von 252 m2/g auf.c) From the thus obtained AIF 3 -SOI, which can be described by the formula AlF 3 n (CH 3 θH), where n ~ 16, by heating in vacuo (120 ° C, 0.1 mbar, 6 h) the solvent is removed to give a white powder of AIF 3 having a carbon content of 0.9%. The aluminum fluoride thus obtained is X-ray amorphous and has a specific surface of 252 m 2 / g.
Die Abgabe von Methanol wurde auch quantitativ durch Thermoanalyse verfolgt, wobei ein Gewichtsverlust der Probe von 15,6% durch Thermogravimetrie und differentielle Thermogravimetrie festgestellt wurde. Die thermischen Effekte waren endotherm.The release of methanol was also monitored quantitatively by thermal analysis, with a 15.6% weight loss of the sample detected by thermogravimetry and differential thermogravimetry. The thermal effects were endothermic.
Beispiel 3: Herstellung von methanolischem MagnesiumfluoridgelExample 3: Preparation of methanolic magnesium fluoride gel
In einem Kunststoffgefäß wurden Magnesium-Späne mit 75 mL einer 2 molaren methanolischen Fluorwasserstoff-Lösung versetzt und bei Zimmertemperatur gerührt. Nach 2 Tagen wurde vom grauen Bodensatz dekantiert. Aus der farblosen überstehenden Lösung wurde nach Abziehen des überschüssigen Methanols im Vakuum ein nahezu weißer Feststoff erhalten, der eine spezifische Oberfläche (BET/N2) von 348 m2/g hatte. Trotz der großen Oberfläche zeigte die Probe im Röntgen-Pulverdiffraktorgramm deutliche, wenn auch breite Reflexe eines MgF2.In a plastic vessel, magnesium chips were mixed with 75 ml of a 2 molar methanolic hydrogen fluoride solution and stirred at room temperature. After 2 Days were decanted from the gray sediment. From the colorless supernatant solution, after removal of the excess methanol in vacuo, a nearly white solid was obtained which had a specific surface area (BET / N 2 ) of 348 m 2 / g. Despite the large surface area, the sample showed clear, albeit broad, reflections of MgF 2 in the X-ray powder diffraction gram.
Beispiel 4: Herstellung von BariumfluoridExample 4: Preparation of barium fluoride
690 mg (5 mmol) metallisches Barium wurden mit einer methanolischen HF-Lösung im Überschuß, bezogen auf den HF-Gehalt, versetzt. Unter Gasentwicklung und Bildung eines milchigen SoIs löst sich das Barium auf. Beim Konzentrieren des SoIs fallt ein weißes, Röntgen-amorphes Pulver von Bariumfluorid aus. Die Reaktion verläuft bezogen auf das eingesetzte Barium quantitativ.690 mg (5 mmol) of metallic barium were mixed with a methanolic HF solution in excess, based on the HF content. Gas evolution and formation of a milky sol dissolve the barium. Concentrating the sol drops a white, X-ray amorphous powder of barium fluoride. The reaction proceeds quantitatively with respect to the barium used.
Beispiel 5: Herstellung von ZinkfluoridExample 5: Preparation of zinc fluoride
1,24 g Zinkpulver (vor Anwendung mit einem Kupfersalz aktiviert) wurden mit einer stöchiometrischen Menge von HF in Methanol versetzt, wobei mit beginnender Gasentwicklung sich eine trübe milchige Lösung bildet. Nach einem Tag wurde die HF- Lösung ergänzt. Nach Beendigung der Reaktion und Abtrennen des Lösungsmittels wurde ein weißes amorphes Pulver von ZnF2 erhalten. Das Röntgen-Diffraktogramm weist sehr breite Reflexe auf, die dem Zinkfluorid zuzuordnen sind. Der Kohlenstoffgehalt beträgt 0,2%.1.24 g of zinc powder (activated with a copper salt before use) were mixed with a stoichiometric amount of HF in methanol, forming a cloudy, milky solution with the onset of gas evolution. After one day, the HF solution was supplemented. After completion of the reaction and separation of the solvent, a white amorphous powder of ZnF 2 was obtained. The X-ray diffractogram has very broad reflections attributable to zinc fluoride. The carbon content is 0.2%.
Die in der vorangehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination zur Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausfuhrungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, the claims and the drawings may be essential both individually and in any combination for realizing the invention in its various embodiments.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Metallfluorid-Sols und eines Metallfluorid-Gels umfassend die Schritte:A process for producing a metal fluoride sol and a metal fluoride gel, comprising the steps of:
a) Bereitstellen eines Metalles, b) Bereitstellen einer Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwäßrigen Lösungsmittel, und c) Umsetzen des Metalles mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem nichtwässrigen Lösungsmittel zur Ausbildung eines Metallfluorid-Sols.a) providing a metal, b) providing a solution of hydrogen fluoride in a non-aqueous solvent, and c) reacting the metal with the solution of hydrogen fluoride in a nonaqueous solvent to form a metal fluoride sol.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall ein Metall der zweiten, dritten oder vierten Hauptgruppe oder einer Nebengruppe des Periodensystems ist, wobei das Redoxpotential des Metalls im jeweiligen Lösungsmittel negativer ist als das von H2.2. The method according to claim 1, characterized in that the metal is a metal of the second, third or fourth main group or a subgroup of the periodic table, wherein the redox potential of the metal in the respective solvent is more negative than that of H 2 .
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt ist, die Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Aluminium, Zink, Blei, Seltene Erden umfasst.3. The method according to claim 2, characterized in that the metal is selected from the group comprising magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum, zinc, lead, rare earths.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, die Magnesium und Aluminium umfasst.4. The method according to claim 3, characterized in that the metal is selected from the group comprising magnesium and aluminum.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall mit der Lösung von Fluorwasserstoff in einem auf Fluorwasserstoff bezogen stöchiometrischen Verhältnis oder mit einem Überschuss an Fluorwasserstoff umgesetzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the metal is reacted with the solution of hydrogen fluoride in a relative to hydrogen fluoride stoichiometric ratio or with an excess of hydrogen fluoride.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Alkohol ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Methanol, Ethanol, Propanol, iso-Propanol, Butanol, iso-Butanol, tert.-Butanol, Methoxyethanol, Ethoxyethanol umfasst. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the non-aqueous solvent is an alcohol which is selected from the group consisting of methanol, ethanol, propanol, iso-propanol, butanol, iso-butanol, tert-butanol , Methoxyethanol, ethoxyethanol.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol bis zu 4% Wasser enthält.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the alcohol contains up to 4% water.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtwässrige Lösungsmittel ein Ether oder ein Keton oder ein Sulfoxid ist.8. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the non-aqueous solvent is an ether or a ketone or a sulfoxide.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung von Schritt c) bei Raumtemperatur und Standarddruck erfolgt.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the reaction of step c) takes place at room temperature and standard pressure.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel einen Gehalt an Lösungsmittel von 50 Mol% bis 99,9 Mol%, bevorzugterweise von 70 Mol% bis 99 Mol% aufweist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the metal fluoride sol or metal fluoride gel has a content of solvent of 50 mol% to 99.9 mol%, preferably from 70 mol% to 99 mol%.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine Legierung oder Mischung aus zwei oder mehr Metallen ist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the metal is an alloy or mixture of two or more metals.
12. Ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.12. A metal fluoride sol or metal fluoride gel obtainable by a process according to any one of claims 1 to 11.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Schritt umfasst:13. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it further comprises the step:
d) Entfernung der volatilen Bestandteile aus dem in Schritt c) erhaltenen Reaktionsproduktes.d) removal of the volatile constituents from the reaction product obtained in step c).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die volatilen Bestandteile durch eine Hitzebehandlung entfernt werden.14. The method according to claim 13, characterized in that the volatile constituents are removed by a heat treatment.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzebehandlung bei einer Temperatur von 30 bis 5000C, bevorzugterweise von 70 bis 2500C erfolgt. 15. The method according to claim 14, characterized in that the heat treatment at a temperature of 30 to 500 0 C, preferably from 70 to 250 0 C takes place.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hitzebehandlung im Vakuum bei einem Druck von 800 bis 10"3 mbar, bevorzugterweise von 100 bis Kr' mbar erfolgt.16. The method according to claim 14 or 15, characterized in that the heat treatment is carried out in vacuo at a pressure of 800 to 10 "3 mbar, preferably from 100 to Kr 'mbar.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei das Verfahren ein Verfahren zur Herstellung eines amorphen Metallfluorids ist.17. The method according to any one of claims 13 to 16, wherein the method is a method for producing an amorphous metal fluoride.
18. Amorphes Metallfluorid, dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17 erhältlich ist.18. Amorphous metal fluoride, characterized in that it is obtainable by a process according to any one of claims 13 to 17.
19. Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche, bevorzugterweise zum Filmbeschichten einer Oberfläche, umfassend die Schritte:19. A method for coating a surface, preferably for film coating a surface, comprising the steps of:
a) Bereitstellen einer Oberfläche,a) providing a surface,
b) Bereitstellen eines Metallfiuorid-Sols oder Metallfluorid-Gelsb) providing a metal fluoride sol or metal fluoride gel
c) Beschichten des Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols auf eine Oberfläche undc) coating the metal fluoride gel or metal fluoride sol on a surface and
d) optional Entfernen des Lösungsmittels aus dem SoI oder Gel.d) optionally removing the solvent from the sol or gel.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfluorid-Sol oder das Metallfluorid-Gel durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bereitgestellt wird oder ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach Anspruch 12 ist.20. The method according to claim 19, characterized in that the metal fluoride sol or the metal fluoride gel is provided by a method according to any one of claims 1 to 11 or a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to claim 12.
21. Verwendung eines Metallfluorid-Sols oder -Gels nach Anspruch 12 für die Herstellung einer Beschichtung, bevorzugterweise einer Schutzbeschichtung, einer Antireflexionsbeschichtung oder einer katalytisch aktiven Schicht auf einem geeigneten Träger.21. Use of a metal fluoride sol or gel according to claim 12 for the preparation of a coating, preferably a protective coating, an antireflection coating or a catalytically active layer on a suitable support.
22. Verwendung eines Metallfluorids nach Anspruch 18 für die Herstellung von Keramiken, bevorzugterweise durchsichtiger Keramiken. 22. Use of a metal fluoride according to claim 18 for the production of ceramics, preferably transparent ceramics.
23. Verwendung eines Metallfluorid-Gels oder Metallfluorid-Sols nach Anspruch 12 für die Herstellung von mit Metallfluorid beschichteten Fasern oder Wellenleitern.23. Use of a metal fluoride gel or metal fluoride sol according to claim 12 for the production of metal fluoride coated fibers or waveguides.
24. Gegenstand umfassend ein Metallfluorid-Sol oder Metallfluorid-Gel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gegenstand ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Glassscheiben, Kathodenstrahlröhren, Flüssigkristallanzeigen, Metalloberflächen und Linsen. An article comprising a metal fluoride sol or metal fluoride gel according to any one of the preceding claims, wherein the article is selected from the group comprising glass sheets, cathode ray tubes, liquid crystal displays, metal surfaces and lenses.
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CN108997800A (en) * 2018-08-24 2018-12-14 安徽信息工程学院 A kind of preparation method of hydrophobic composite coating

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