WO2021013565A1 - Method for producing electrically conductive material for use as a pem catalyst material - Google Patents

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WO2021013565A1
WO2021013565A1 PCT/EP2020/069387 EP2020069387W WO2021013565A1 WO 2021013565 A1 WO2021013565 A1 WO 2021013565A1 EP 2020069387 W EP2020069387 W EP 2020069387W WO 2021013565 A1 WO2021013565 A1 WO 2021013565A1
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electrically conductive
conductive material
starting compound
metal
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Markus Widenmeyer
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Robert Bosch Gmbh
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Abstract

The invention relates to a method for producing electrically conductive material based on mischmetal nanoparticles (2) of general formula M1 H1 H2 H3...-NP, comprising the following steps: providing (22) a first starting compound in the form of heterometal oxide nanoparticles; providing (24) a second starting compound in the form of a metal salt of the elements M1 = (Pt, Pd, Rh, Ir); producing (26) a mixture comprising the first and second starting compound; and thermally treating (28) the mixture to produce the mischmetal nanoparticles (2).

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Material zur Verwendung als Method of making electrically conductive material for use as a
P EM- Katalysatormaterial P EM catalyst material
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie einem Erzeugnis nach Gattung des unabhängigen Erzeugnisanspruchs. The present invention is based on a method according to the category of the independent method claim and a product according to the category of the independent product claim.
Stand der Technik State of the art
Materialien zur Verwendung als P EM- Brennstoffzellen- Katalysatormaterial sind aus dem Stand der Technik bekannt. Hierbei zeigen insbesondere PtCo- und PtNi-Mischmetall-Katalysatoren signifikante Aktivitätsverbesserungen bei der Sauerstoffreduktion an der Kathode von PEM-Brennstoffzellen. Zudem kann für eine gegebene Funktionsanforderung eine geringere Menge teurer Edelmetalle eingesetzt werden. Unglücklicherweise neigen diese Katalysatoren jedoch zur Oxidation und zum Leaching, d.h. zu einem Herauslösen der Materials for use as P EM fuel cell catalyst material are known from the prior art. In particular, PtCo and PtNi mixed metal catalysts show significant improvements in activity in the oxygen reduction at the cathode of PEM fuel cells. In addition, a smaller amount of expensive precious metals can be used for a given functional requirement. Unfortunately, however, these catalysts tend to oxidize and leach, i.e. leach out the
Nicht-Platinmetallkomponenten aus dem Katalysatormaterial. Neben einem einhergehenden Aktivitätsverlust kann daher bei der Verwendung von PtCo- und PtNi-Mischmetall-Katalysatoren nicht ausgeschlossen werden, dass größere Mengen teilweise giftiger Nickel- oder Kobalt-Verbindungen in die Umwelt gelangen. Ebenso neigen solche Materialien zu einer Vergröberung und einem Verlust an aktiver Oberfläche. Non-platinum metal components from the catalyst material. In addition to an associated loss of activity, when using PtCo and PtNi mischmetal catalysts, it cannot be ruled out that larger amounts of nickel or cobalt compounds, some of which are toxic, are released into the environment. Such materials also tend to become coarse and lose their active surface.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren mit den Merkmalen des The invention relates to a method having the features of
unabhängigen Verfahrensanspruchs sowie ein elektrisch leitfähiges Material nach Gattung des unabhängigen Erzeugnisanspruchs. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Erzeugnis und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann. independent process claim and an electrically conductive material according to the category of the independent product claim. Other features and Details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the method according to the invention naturally also apply in connection with the product according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to each other.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch dient The inventive method according to the main claim is used
insbesondere der Verwendung als PEM-Brennstoffzellen-Katalysatormaterial. Hierbei ist der Vorteil des Verfahrens vor allem darin zu sehen, unter Einsatz von ungiftigen bzw. mindergiftigen Verbindungen auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise stabile Katalysatormaterialien kleiner Partikelgröße und hoher Aktivität, insbesondere hoher spezifischer Platinaktivität hersteilen zu können. So kann PEM-Brennstoffzellen-Katalysatormaterial einer Größe von weniger als 5nm mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem especially for use as a PEM fuel cell catalyst material. The advantage of the method is primarily to be seen in the fact that stable catalyst materials of small particle size and high activity, in particular high specific platinum activity, can be produced in a simple, fast and inexpensive manner using non-toxic or less toxic compounds. Thus, PEM fuel cell catalyst material with a size of less than 5 nm can by means of the method according to the invention in one
sogenannten„Ein-Topf-Verfahren“ sowie in einem so-called "one-pot process" and in one
„Einschritt-Imprägnierverfahren hergestellt werden. "One-step impregnation process can be produced.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierbei vorzugsweise zur Herstellung von Elektrodenmaterialien, insbesondere The method according to the invention can preferably be used for the production of electrode materials, in particular
PEM-Brennstoffzellen-Katalysatormaterialien verwendet werden. Ferner ist auch ein Einsatz zur Herstellung von Sensormaterialien oder dergleichen denkbar. PEM fuel cell catalyst materials can be used. A use for the production of sensor materials or the like is also conceivable.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Material auf Basis von Mischmetall-Nanopartikeln, insbesondere auf Basis von segregierten Mischmetall-Nanopartikeln umfasst hierbei den Schritt eines Bereitstellens einer ersten Ausgangsverbindung in Form von The method according to the invention for producing electrically conductive material based on mischmetal nanoparticles, in particular based on segregated mischmetal nanoparticles, includes the step of providing a first starting compound in the form of
Heterometalloxid-Nanopartikeln, den Schritt eines Bereitstellens einer zweiten Ausgangsverbindung in Form eines Metallsalzes von mindestens einem der Elemente Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir), den Schritt eines Herstellens eines Gemisches, umfassend die erste und zweite Ausgangsverbindung sowie den Schritt einer thermischen Behandlung des Gemisches zur Herstellung der Heterometal oxide nanoparticles, the step of providing a second starting compound in the form of a metal salt of at least one of the elements Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir), the step of producing a mixture comprising the first and second starting compound and the step of a thermal Treatment of the mixture to produce the
Mischmetall-Nanopartikel. Unter einer Herstellung eines Gemisches kann im Rahmen der Erfindung die Zugabe einer zweiten Ausgangsverbindung zu einer ersten Mixed metal nanoparticles. In the context of the invention, when preparing a mixture, the addition of a second starting compound to a first
Ausgangsverbindung, als auch die Zugabe einer ersten Ausgangsverbindung zu einer zweiten Ausgangsverbindung verstanden werden. Zudem kann ein Gemisch auch über die gleichzeitige Zugabe einer ersten und einer zweiten Ausgangsverbindung hergestellt werden. Unter einem Heterometall bzw. einem Heterometalloxid wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Metall bzw. ein Metalloxid verstanden, das keines der Elemente Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) darstellt bzw. umfasst. Die erste Ausgangsverbindung kann dabei vzw. in Form von Heterometalloxid-Nanopartikeln der Elemente Hx = (Fe, Co, Ni, Re, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf) gebildet sein. Die zweite Ausgangsverbindung in Form eines Metallsalzes der Elemente Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) kann ferner bspw. in Form von Platinkomplexen, wie H2PtCl6, Pt(NOs)2 oder dergleichen oder bspw. bereits in Form von Nanopartikeln gebildet sein, die dann vorteilhafterweise einen Starting compound, as well as the addition of a first starting compound to a second starting compound. In addition, a mixture can also be produced by simultaneously adding a first and a second starting compound. In the context of the invention, a heterometal or a heterometal oxide is understood to mean, in particular, a metal or a metal oxide which does not represent or include any of the elements Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir). The first output connection can vzw. in the form of heterometal oxide nanoparticles of the elements Hx = (Fe, Co, Ni, Re, Cr, Mo, W, Nb, Ta, Ti, Zr, Hf). The second starting compound in the form of a metal salt of the elements Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) can also, for example, in the form of platinum complexes, such as H 2 PtCl 6 , Pt (NOs) 2 or the like, or for example already in the form of nanoparticles be formed, which then advantageously one
Durchmesser von 5 nm oder weniger haben. Es versteht sich, dass als zweite Ausgangsverbindung ebenso entsprechende Komplexe der Elemente Pd, Rh, Ir eingesetzt werden können. 5 nm or less in diameter. It goes without saying that corresponding complexes of the elements Pd, Rh, Ir can also be used as the second starting compound.
Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass durch die In the context of the invention it has been recognized that by the
erfindungsgemäßen Verfahrensschritte segregierte Mischmetall-Nanopartikel hergestellt werden können, bei denen die Atome der Elemente (Pt, Pd, Rh, Ir) im Wesentlichen in einem äußeren Schalenbereich und die Atome des zumindest einen Heterometallelementes im Wesentlichen in einem inneren Kernbereich angeordnet sind, sodass so genannte Core-Shell-Nanopartikel generiert werden können, bei denen aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung keine oder eine verminderte Gefahr des Leachings und der Freisetzung giftiger Verbindungen besteht. Die Erfindung nutzt hierbei insbesondere aus, dass die Reduktion von Heterometalloxiden durch die Anlagerung von Atomen der Elemente (Pt, Pd, Rh, Ir) thermodynamisch begünstigt ist. Process steps according to the invention, segregated mischmetal nanoparticles can be produced in which the atoms of the elements (Pt, Pd, Rh, Ir) are arranged essentially in an outer shell area and the atoms of the at least one heterometallic element are arranged essentially in an inner core area, so that so-called Core-shell nanoparticles can be generated in which there is no or a reduced risk of leaching and the release of toxic compounds due to the arrangement according to the invention. The invention makes use of the fact that the reduction of heterometal oxides is thermodynamically favored by the addition of atoms of the elements (Pt, Pd, Rh, Ir).
Hinsichtlich einer einfachen, kostengünstigen und reproduzierbaren Herstellung des erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, dass die erste Ausgangsverbindung aus einem Metallprecursor hergestellt wird, wobei der Metallprecursor vorzugsweise zunächst in eine Zwischenstufe in Form einer Metall-Diolat-Verbindung, insbesondere in Form einer Metall-Glykolat-Verbindung überführt wird. With regard to a simple, inexpensive and reproducible production of the electrically conductive material according to the invention, it is proposed within the scope of the invention that the first starting connection is produced from a metal precursor, the metal precursor preferably is first converted into an intermediate stage in the form of a metal diolate compound, in particular in the form of a metal glycolate compound.
So kann durch die Zugabe von Diolen zu einer geeigneten Ausgangsverbindung bspw. eine entsprechende Metall-Diolat-Lösung hergestellt werden, wobei vorzugsweise vicinale Diole, insbesondere Ethylenglykol, 1,2-Propylenglycol, 1,2- Butylenglycol oder 2,3-Butylenglycol verwendet werden können. Es versteht sich, dass ebenso Triole oder Polyole verwendet werden können. For example, by adding diols to a suitable starting compound, a corresponding metal diolate solution can be prepared, vicinal diols, in particular ethylene glycol, 1,2-propylene glycol, 1,2-butylene glycol or 2,3-butylene glycol being used can. It is understood that triols or polyols can also be used.
Eine Herstellung einer Wolfram-Diolat-Lösung kann dabei bspw. aus A tungsten diolate solution can be produced from, for example
Wolframalkoholaten (z.B. W(OEt)e) oder Halogeniden oder Oxyhalogeniden (z.B. WCI6, WOCI4) hergestellt werden, wobei vorzugsweise W-Verbindungen der Oxidationsstufe VI eingesetzt werden können. Wolfram ist hierbei nur als Beispiel eines der vorbenannten Heterometalle anzusehen. Ebenso kann eine Tungsten alcoholates (e.g. W (OEt) e) or halides or oxyhalides (e.g. WCI6, WOCI4) can be produced, whereby W compounds of the VI oxidation state can be used. Tungsten is only to be regarded as an example of one of the aforementioned heterometals. Likewise, a
entsprechende Herstellung anderer Heterometall-Verbindungen erfolgen. corresponding production of other heterometal compounds take place.
Insbesondere kann Wolframoxid, Wolframsäure oder ein Wolframat, z.B. In particular, tungsten oxide, tungstic acid or a tungstate, e.g.
Ammoniumwolframat in Ethlyenglycol in der Hitze behandelt werden, bis eine klare bis leicht trübe Lösung entsteht. Ammonium tungstate in ethylene glycol can be treated with heat until a clear to slightly cloudy solution is obtained.
Hierbei kann die Reaktion vorzugsweise bei einer Temperatur von 90 - 200°C, insbesondere von 120 - 190°C bei einer Dauer 15 min. bis 30 h, insbesondere bei 1 h bis 8 h erfolgen. The reaction can preferably be carried out at a temperature of 90-200 ° C., in particular 120-190 ° C., for a period of 15 minutes to 30 hours, in particular 1 hour to 8 hours.
Vorteilhafterweise kann ein Massenanteil von 0,5% bis 50%, weiter bevorzugt 1% bis 25% der Wolframverbindung, bezogen auf WO3 eingesetzt werden und optional unter Schutzgas, z.B. N2 behandelt werden. Advantageously, a mass fraction of 0.5% to 50%, more preferably 1% to 25% of the tungsten compound, based on WO 3 , can be used and optionally treated under an inert gas, for example N2.
Vorzugsweise ist das System hierbei so offen, dass H2O entweichen kann, was von Vorteil ist, da das Entfernen von H2O aus dem System die Diolat-Synthese begünstigt. The system is preferably so open that H2O can escape, which is advantageous since the removal of H2O from the system favors the synthesis of diolates.
Optional können auch Stoffe zugesetzt werden, die mit Wasser reagieren, z.B. Dimethylformamid-Dimethylacetal oder Trimethoxymethan. Ebenso können Basen zugegeben wie bspw. NH3, Dimethylamin, Trimethylamin, Triethylamin, Tripentylamin, Substances that react with water, for example dimethylformamide-dimethylacetal or trimethoxymethane, can optionally also be added. Likewise can Bases added such as NH3, dimethylamine, trimethylamine, triethylamine, tripentylamine,
Decylamin, Dimethyldodecylamin, Triethanolamin, Guanidin und Derivate, Tetramethylammonium Hydroxid, Tetrabutylammonium Hydroxid, NaOH oder KOH, wobei die Basen vorzugsweise in einem molaren Verhältnis: Base:Wolfram von 1:100 bis 1:1, weiter bevorzugt von 1:20 bis 1:4 zugegeben werden können. Decylamine, dimethyldodecylamine, triethanolamine, guanidine and derivatives, tetramethylammonium hydroxide, tetrabutylammonium hydroxide, NaOH or KOH, the bases preferably in a molar ratio: base: tungsten from 1: 100 to 1: 1, more preferably from 1:20 to 1: 4 can be added.
Optional kann zudem ein verbleibender Feststoffanteil durch Filtration oder Sedimentation, z.B. durch Zentrifugation entfernt werden. Optionally, any remaining solids can also be removed by filtration or sedimentation, e.g. by centrifugation.
Das beschriebene Verfahren eignet sich hierbei insbesondere dazu besonders haltbare Zwischenstufen bzw. Verbindungen hersteilen zu können. The method described is particularly suitable here for being able to produce particularly durable intermediate stages or connections.
Im Rahmen einer einfachen und effektiven Weiterverarbeitung kann As part of a simple and effective further processing
erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass die Zwischenstufe durch thermische Behandlung und Zugabe von Wasser in die erste according to the invention it can also be provided that the intermediate stage by thermal treatment and addition of water in the first
Ausgangsverbindung überführt wird. Starting compound is transferred.
Durch die erfindungsgemäße Umsetzung des auf beschriebene Weise herzustellenden Metall- Diolats mit Wasser und vorzugsweise weiterem Diol ist es insbesondere möglich, eine erfindungsgemäße erste Ausgangsverbindung herzustellen. The inventive reaction of the metal diolate to be produced in the manner described with water and preferably further diol makes it possible in particular to produce a first starting compound according to the invention.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zur Herstellung der Zwischenstufe und/oder zur Herstellung der ersten Ausgangsverbindung weitere Hilfslösungsmittel zugegeben werden. Furthermore, it can be provided according to the invention that further auxiliary solvents are added to produce the intermediate stage and / or to produce the first starting compound.
Optionale Bestandteile sind zum Beispiel eine Base, eine Säure, eine Optional ingredients are, for example, a base, an acid, a
Tetraalkylammoniumverbindung, Polymere oder Monoalkohole, wobei diese vorzugsweise in Mengen zugesetzt werden, dass Wolfram in Tetraalkylammonium compound, polymers or monoalcohols, these preferably being added in amounts that tungsten in
Wolframgewichtsanteilen (bezogen auf WO3) von 0,2% bis 30%, weiter bevorzugt von 0,5% bis 15%, noch weiter bevorzugt von 1% bis 10% vorliegt. Tungsten proportions by weight (based on WO3) from 0.2% to 30%, more preferably from 0.5% to 15%, even more preferably from 1% to 10%.
Vorteilhafte Wassergewichtsanteile können ferner bei 0,5 bis 25 %, weiter bevorzugt bei 1 % bis 18%, insbesondere bei 2 % bis 12% liegen. Eine Base, wie NaOH, KOH, NH3, Dimethylamin oder dergleichen kann zudem vorteilhafterweise auch in molaren Verhältnisse zu Wolfram von 0,01% bis 80%, bevorzugt von 0,1% bis 40%, weiter bevorzugt von 1 % bis 25 % zugeben werden. Advantageous proportions by weight of water can also be 0.5 to 25%, more preferably 1% to 18%, in particular 2% to 12%. A base such as NaOH, KOH, NH 3 , dimethylamine or the like can also advantageously be used in molar proportions to tungsten of 0.01% to 80%, preferably from 0.1% to 40%, more preferably from 1% to 25% will admit.
Eine thermische Behandlung der Lösung kann bspw. bei Temperaturen von 20°C bis 250°C, weiter bevorzugt bei Temperaturen von 60°C bis 220°C, insbesondere bei Temperaturen von 100°C bis 195°C erfolgen. The solution can be thermally treated, for example, at temperatures from 20 ° C to 250 ° C, more preferably at temperatures from 60 ° C to 220 ° C, in particular at temperatures from 100 ° C to 195 ° C.
Die Dauer der Behandlung beträgt vorzugsweise 0,2 h bis 200 h, weiter bevorzugt 0,5 h bis 100 h, noch weiter bevorzugt 1 h bis 50 h. The duration of the treatment is preferably 0.2 hours to 200 hours, more preferably 0.5 hours to 100 hours, even more preferably 1 hour to 50 hours.
Im Hinblick auf eine möglichst effektive Vermischung des ersten und zweiten Ausgangsmaterials kann hierbei erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Ausgangsverbindung mit einer mittleren Partikelgröße (dso) von weniger als 50 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm, insbesondere von weniger als 5 nm bereitgestellt wird. With regard to the most effective possible mixing of the first and second starting material, the invention can provide that the first starting compound with an average particle size (dso) of less than 50 nm, preferably less than 20 nm, particularly preferably less than 10 nm, in particular of less than 5 nm is provided.
Im Rahmen einer einfachen und effektiven Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass ein Trägermaterial mit der ersten und/oder zweiten Ausgangsverbindung beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. Alternativ zu einer Beschichtung bzw. Imprägnierung eines Trägermaterials mit der zweiten Ausgangsverbindung nach der Beschichtung bzw. Imprägnierung mit der ersten Ausgangsverbindung, kann auch zunächst die Beschichtung bzw. Imprägnierung des Trägermaterials mit der zweiten Ausgangsverbindung erfolgen, bevor eine Beschichtung bzw. Imprägnierung des Trägermaterials mit der ersten In the context of a simple and effective production of an electrically conductive material, it can furthermore be provided according to the invention that a carrier material is coated with the first and / or second starting compound, the coating preferably taking place wet-chemically. As an alternative to coating or impregnating a carrier material with the second starting compound after coating or impregnating with the first starting compound, the carrier material can also be coated or impregnated with the second starting compound before the carrier material is coated or impregnated with the first
Ausgangsverbindung erfolgt. Das Trägermaterial kann hierbei vorzugsweise in Form eines Kohlenstoffträgers oder ähnlichem mit einer großen Oberfläche bzw. mit einem kleinen Durchmesser gebildet sein. Ebenso eignen sich z.B. Output connection takes place. The carrier material can preferably be in the form of a carbon carrier or the like with a large surface or with a small diameter. Likewise, e.g.
Siliziumwafer, Glas- oder Metalloberflächen oder Katalysatormaterialien, wie AI2O3, T1O2, ZrÜ2, WO3, Sn02, S1O2, AI-S1O2, wobei das Katalysatormaterial bevorzugt eine Oberfläche von mind. 1 m2/g besitzt. Vorteilhafterweise erfolgt die Beschichtung und/oder Imprägnierung hierbei über eine kolloidale Flüssigkeit, in der die Nanopartikel gelöst bzw. suspendiert sind. Durch eine Beschichtung bzw. Imprägnierung des Trägermaterials mit der ersten und zweiten Silicon wafer, glass or metal surfaces or catalyst materials, such as Al2O3, T1O2, ZrÜ2, WO3, Sn0 2 , S1O2, Al-S1O2, the catalyst material preferably having a surface area of at least 1 m 2 / g. The coating and / or impregnation is advantageously carried out using a colloidal liquid in which the nanoparticles are dissolved or suspended. By coating or impregnating the carrier material with the first and second
Ausgangsverbindung ist es insbesondere möglich, eine Legierungsbildung zwischen den verschiedenen metallischen Elementen (Mi und Hx) zu erzielen. Nach einem Imprägnieren bzw. Beschichten der Nanopartikel bzw. der Starting compound, it is particularly possible to achieve an alloy formation between the various metallic elements (Mi and Hx). After impregnating or coating the nanoparticles or the
Metallverbindungen oder der Metalle auf dem Trägermaterial kann das Material getrocknet und anschließend thermisch behandelt werden. Die Trocknung kann hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 250°C, an Luft oder einem anderen Gas, in einem Gasstrom oder im Vakuum erfolgen. Metal compounds or the metals on the carrier material, the material can be dried and then thermally treated. The drying can preferably take place at a temperature between room temperature and 250 ° C., in air or another gas, in a gas stream or in a vacuum.
Mit W03-Nanopartikeln oder ähnlichen Metalloxid- Nanopartikeln in Form einer Lösung kann direkt, d.h. ohne weitere Modifikation ein Substrat beschichtet bzw. imprägniert werden. Optional kann die Lösung eingeengt werden, z.B. bei 80°C unter Rühren, z.B. im Gasstrom oder im Vakuum, wodurch die Konzentration der Nanopartikel erhöht wird, was für manche Beschichtungsprozesse von Vorteil sein kann. With W0 3 nanoparticles or similar metal oxide nanoparticles in the form of a solution, a substrate can be coated or impregnated directly, ie without further modification. Optionally, the solution can be concentrated, for example at 80 ° C. with stirring, for example in a gas stream or in a vacuum, whereby the concentration of the nanoparticles is increased, which can be advantageous for some coating processes.
Optional können weitere Verbindungen, wie Alkohole, Säureamide, Other compounds such as alcohols, acid amides,
Acetamid- Derivate, Lactame, Ether, Ester, Carbonsäuren, Tenside, Polymere oder Wasser oder dergleichen zugegeben werden. Acetamide derivatives, lactams, ethers, esters, carboxylic acids, surfactants, polymers or water or the like can be added.
Im Hinblick auf eine besonders einfache und effektive Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Trägermaterial gleichzeitig mit der ersten und der zweiten Ausgangsverbindung beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. Im Rahmen der gleichzeitigen Beschichtung können die erste und zweite With regard to a particularly simple and effective production of an electrically conductive material, it can be provided according to the invention that a carrier material is coated simultaneously with the first and the second starting compound, the coating preferably being carried out wet-chemically. As part of the simultaneous coating, the first and second
Ausgangsverbindung vorteilhafterweise in derselben Lösung vorliegen, wobei eine derartige Lösung vorzugsweise zwischen 0,1 und 50 Gew% Anteil an der Summe der metallischen Elemente aufweisen kann. Als Lösungsmittel können bspw. Wasser oder Alkohole, wie bspw. Ethanol, Propanol, Hexanol, 1-Methoxy- Ethanol oder Ester, wie Ethylenglycol- Ester oder Diole wie Ethylen- oder Propylenglycol oder Dimethylformamid, N-Methylpyrrolidon oder Carbonsäuren, Amine, wie Ethylamin, Trimethylamin oder Triethylamin oder Ether, wie THF oder dergleichen verwendet werden. In einer besonderen und bevorzugten Ausführungsform einer gleichzeitigen Beschichtung Wolframoxid-Nanopartikel mit Metallen oder Metalloxiden anderer Metalle kombiniert werden, mit dem Ziel entsprechende Mischbeschichtungen herzustellen. In einer bevorzugten Form werden dazu geeignete The starting compound is advantageously present in the same solution, such a solution preferably having a proportion of between 0.1 and 50% by weight of the sum of the metallic elements. Solvents that can be used are, for example, water or alcohols, such as, for example, ethanol, propanol, hexanol, 1-methoxyethanol or esters such as ethylene glycol esters or diols such as ethylene or propylene glycol or dimethylformamide, N-methylpyrrolidone or carboxylic acids, amines such as ethylamine , Trimethylamine or triethylamine or ethers such as THF or the like can be used. In a special and preferred embodiment of a simultaneous coating, tungsten oxide nanoparticles are combined with metals or metal oxides of other metals, with the aim of producing corresponding mixed coatings. In a preferred form, suitable for this purpose
Metallvorläuferverbindungen der Beschichtungsflüssigkeit zugegeben. Metal precursor compounds are added to the coating liquid.
Im Hinblick auf eine verbesserte Steuerung bestimmter Reaktionseigenschaften sowie hinsichtlich einer größeren Produktvielfalt kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass Zusatzstoffe und/oder Vorläufermaterialien zugesetzt werden. Die Zusatzstoffe können hierbei vorteilhafterweise in Form von With regard to improved control of certain reaction properties and with regard to a greater variety of products, the invention can furthermore provide that additives and / or precursor materials are added. The additives can advantageously be in the form of
Tensiden, Polymeren oder Komplexbildnern gebildet sein. Die Surfactants, polymers or complexing agents be formed. The
Vorläufermaterialien können bspw. bewusst nicht in Form von Nanopartikeln vorliegen und vorzugsweise keine Elemente der Gruppe Mi enthalten. Precursor materials can, for example, deliberately not be present in the form of nanoparticles and preferably contain no elements from group Mi.
Vorteilhafterweise können die Vorläufermaterialien in Form von Verbindungen wie beispielsweise Co(NOs)2, (NH^MoC^, FeCh, SnC , La(NOs)3, NH4Re04 oder dergleichen vorliegen. Es versteht sich, dass die Vorläufermaterialien insbesondere auch als erfindungsgemäße Heterometallatome aufzufassen sind, die jedoch im Gegensatz zur ersten Ausgangsverbindung nicht in Form von Nanopartikeln vorliegen. The precursor materials can advantageously be present in the form of compounds such as, for example, Co (NOs) 2, (NH ^ MoC ^, FeCh, SnC, La (NOs) 3, NH4Re04, or the like. It goes without saying that the precursor materials are also to be understood in particular as heterometal atoms according to the invention which, in contrast to the first starting compound, are not in the form of nanoparticles.
Um eine ausreichend hohe Aktivität bzgl. der Herstellung der In order to have a sufficiently high activity with respect to the production of
Mischmetall-Nanopartikel zu erzielen, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass zumindest 35 at-%, vorzugsweise zumindest 50 at-%, insbesondere zumindest 65 at% der Heterometallatome in Form von To achieve mixed metal nanoparticles, the invention can in particular provide that at least 35 at%, preferably at least 50 at%, in particular at least 65 at% of the heterometal atoms in the form of
Nanopartikeln eingebracht werden. Nanoparticles are introduced.
Im Hinblick auf eine möglichst effektive Umsetzung der ersten und zweiten Ausgangsverbindung zum erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Material kann ferner insbesondere vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur von zumindest 300°C, vorzugsweise von zumindest 500°C, insbesondere von zumindest 700°C erfolgt. Zur Schonung des herzustellenden Produktes kann zudem vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung eine Temperatur von 1000°C nicht überschreitet. Die Temperatur kann hierbei bspw. mindestens 30 min., bevorzugt mindestens 60 min. bei über 300°C gehalten werden und hierbei bevorzugt mittels einer definierten Rampe mit bspw. 10 K/min oder 20 K/min angefahren werden. Ferner kann es optional vorgesehen sein, vor einer zweiten thermischen Behandlung eine erste thermische Behandlung zwischen 80 und 300°C, insbesondere zwischen 100°C und 200°C With a view to converting the first and second starting connection to the electrically conductive material according to the invention as effectively as possible, provision can also be made in particular for the thermal treatment to take place at a temperature of at least 300 ° C, preferably at least 500 ° C, in particular at least 700 ° C . To protect the product to be manufactured, provision can also be made for the thermal treatment not to exceed a temperature of 1000 ° C. The temperature can be maintained at over 300 ° C. for at least 30 minutes, preferably at least 60 minutes and are preferably approached by means of a defined ramp with, for example, 10 K / min or 20 K / min. Furthermore, provision can optionally be made for a first thermal treatment between 80 and 300 ° C., in particular between 100 ° C. and 200 ° C., before a second thermal treatment
durchzuführen, wodurch sich bereits sehr kleine, feinst dispergierte metallische Nanopartikel aus Platin oder mit hohem Platinanteil bilden können. Die to be carried out, as a result of which very small, finely dispersed metallic nanoparticles made of platinum or with a high proportion of platinum can form. The
Temperatur kann hierbei bspw. mindestens 15 min. über 100°C betragen. The temperature here can be above 100 ° C. for at least 15 minutes, for example.
Nach Beschichten einer Oberfläche oder Vereinigen der Lösung mit einem Katalysatormaterial können vor einer eigentlichen thermischen Behandlung zunächst einmal die flüchtigen Bestandteile durch Erhitzen, Überblasen mit Gas und/oder Anlegen eines Vakuums entfernt werden. After coating a surface or combining the solution with a catalyst material, the volatile constituents can first of all be removed by heating, blowing over with gas and / or applying a vacuum before the actual thermal treatment.
Ein Beispiel ist das Entfernen der flüchtigen Bestandteile bei 10°C bis 300°C, bevorzugt 50°C bis 200°C an Luft oder N2. One example is the removal of the volatile constituents at 10 ° C. to 300 ° C., preferably 50 ° C. to 200 ° C., in air or N2.
Anschließend kann das beschichtete oder imprägnierte Material bei Then the coated or impregnated material can be used
Maximaltemperaturen von 100 bis 1500°C, vorzugsweise 180°C bis 1200°C, weiter bevorzugt 350°C bis 1100°C für eine Dauer von 1 min bis 100 h, weiter bevorzugt 20 min bis 20 h behandelt werden. Maximum temperatures of 100 to 1500 ° C., preferably 180 ° C. to 1200 ° C., more preferably 350 ° C. to 1100 ° C. for a period of 1 minute to 100 hours, more preferably 20 minutes to 20 hours.
Die vorbenannten Maximaltemperaturen können bevorzugt in definierten The aforementioned maximum temperatures can preferably be defined in
Rampen angefahren werden, z.B. von 10 K/min, 2 K/min oder 40 K/min. Ramps can be approached, e.g. from 10 K / min, 2 K / min or 40 K / min.
Die Ausheizbedingungen haben insbesondere einen Einfluss auf die Größe der hergestellten Nanopartikel. Sollen bspw. reine Wolframoxid-Nanopartikel auf Oberflächen abgeschieden werden, kann durch Wahl der Ausheizbedingungen die Größe der resultierenden Nanopartikel eingestellt werden. Bei milden Ausheiz- bzw. Trocknungsbedingungen (z.B. unter 250°C), bleiben die nasschemisch erhaltenen kleinen Nanopartikel i.d.R. klein (z.B. unter 5 nm). The baking conditions have an influence in particular on the size of the nanoparticles produced. If, for example, pure tungsten oxide nanoparticles are to be deposited on surfaces, the size of the resulting nanoparticles can be set by selecting the baking conditions. With mild heating or drying conditions (e.g. below 250 ° C), the small nanoparticles obtained by wet chemical processes usually remain small (e.g. below 5 nm).
Im Rahmen einer Reduktion der ersten Ausgangsverbindung kann zudem vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erfolgt. Im Hinblick auf eine noch effektivere Reduktion, insbesondere der ersten Ausgangsverbindung ist es ferner denkbar, die thermische Behandlung in einer reduzierenden Atmosphäre, bspw. in einer CO-, H2-, HCOOH- oder Methan-Atmosphäre durchzuführen, wobei die vorbenannten Gase typischen Trägergasen wie Ar oder N2 In the context of a reduction of the first starting compound, provision can also be made for the thermal treatment to take place in a non-oxidizing atmosphere. With regard to an even more effective reduction, In particular the first starting compound, it is also conceivable to carry out the thermal treatment in a reducing atmosphere, for example in a CO, H2, HCOOH or methane atmosphere, the aforementioned gases being typical carrier gases such as Ar or N2
oder als Reingase verwendet werden können und insbesondere in einer or can be used as clean gases and in particular in a
Konzentration zwischen 2 Vol.-% und 100 Vol.-% der reduzierenden Spezies eingesetzt werden können. Die reduzierende Atmosphäre kann hierbei optional mit Drücken von über 1 bar eingesetzt werden, um die Concentration between 2 vol .-% and 100 vol .-% of the reducing species can be used. The reducing atmosphere can optionally be used with pressures of over 1 bar to reduce the
Metallvorläuferverbindungen effektiv zum Metall zu reduzieren. Bspw. kann zur Reduktion Wasserstoff bei 10 bar oder bei 50 bar eingesetzt werden. Effectively reduce metal precursors to metal. For example, hydrogen at 10 bar or at 50 bar can be used for the reduction.
Durch die Auswahl und Bedingungen der zusammengeführten Verbindungen kann insbesondere die Zusammensetzung der Mischmetall-Nanopartikel modifiziert werden. The composition of the mischmetal nanoparticles in particular can be modified by the selection and conditions of the combined compounds.
So können bspw. Wolframoxid/Metalloxid-Mischbeschichtungen hergestellt werden, wenn Metallvorläuferverbindungen der Beschichtungsflüssigkeit zugegeben werden und das beschichtete oder imprägnierte Substrat nur schwach oder nichtreduzierend getempert wird. Beispiele der For example, tungsten oxide / metal oxide mixed coatings can be produced if metal precursor compounds are added to the coating liquid and the coated or impregnated substrate is tempered only slightly or in a non-reducing manner. Examples of
Vorläuferverbindungen (Ei) sind: Verbindungen, die Alkali-, Erdalkali- oder Seltenerdmetalle enthalten oder Verbindungen von Metallen wie Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, AI, Ga, In oder von Halbmetallen wie B, Si, Ge. Precursor compounds (Ei) are: Compounds that contain alkali, alkaline earth or rare earth metals or compounds of metals such as Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Cu, AI, Ga, In or from semi-metals such as B, Si, Ge.
Verbindungen dieser Elemente können beispielsweise Oxide, Hydroxide, Alkoxide, Halogenide, Carbonate, Hydrogencarbonate, Nitrate, Nitrite, Compounds of these elements can, for example, oxides, hydroxides, alkoxides, halides, carbonates, hydrogen carbonates, nitrates, nitrites,
Phosophate, Carboxylate, Acetylacetonate, Zirkonate oder Phosphate sein. Be phosphates, carboxylates, acetylacetonates, zirconates or phosphates.
Wolframoxid- Metall- Mischsysteme können dagegen bspw. gebildet werden, wenn ein Metall edler als Wolfram ist, entsprechende Tungsten oxide-metal mixed systems, on the other hand, can be formed, for example, if a metal is more noble than tungsten
Metallvorläuferverbindungen zugegeben werden und nur mäßig reduzierende, neutrale oder oxidierende Temperbedingungen eingestellt sind. Die Gruppe der Metalle, die edler als Wolfram sind (E2) sind bspw. Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au. Wolfram-Metall-Mischmetallsysteme können schließlich hergestellt werden, wenn Metallvorläuferverbindungen von edleren Metallen aus der Gruppe E2 der Beschichtungsflüssigkeit zugegeben werden (z.B. Platin-, Palladium, Kupfer, Cobalt oder Nickelkomplexe bzw. -salze) und das beschichtete oder imprägnierte Substrat in reduzierend wirkender Gasatmosphäre getempert wird. Metal precursor compounds are added and only moderately reducing, neutral or oxidizing tempering conditions are set. The group of metals that are more noble than tungsten (E2) are, for example, Re, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au. Finally, tungsten-metal mixed metal systems can be produced if metal precursor compounds of noble metals from group E2 are added to the coating liquid (e.g. platinum, palladium, copper, cobalt or nickel complexes or salts) and the coated or impregnated substrate in a reducing gas atmosphere is tempered.
Möglich ist auch die Zumischung unedler Metalle, d.h. mindestens eines aus der mit Elementgruppe Ei. It is also possible to add base metals, i.e. at least one from the element group egg.
Das Verhältnis von Wolfram zu einem E2-Element für Wolframoxid-Metall- Mischsysteme oder Wolfram-Metall-Mischmetallsysteme W/E2 kann hierbei vorzugsweise 0,05 bis 50, weiter bevorzugt 0,1 bis 20, noch weiter bevorzugt 0,15 bis 10 betragen, wobei auch Metalle aus der Gruppe E2 teilweise durch Metalle der Gruppe Ei ersetzt sein können. Der Ersetzungsgrad ist bevorzugt bei maximal 50%, weiter bevorzugt bei maximal 25%. Beispiele sind The ratio of tungsten to an E2 element for tungsten oxide-metal mixed systems or tungsten-metal mixed metal systems W / E2 can preferably be 0.05 to 50, more preferably 0.1 to 20, even more preferably 0.15 to 10 Metals from group E2 can also be partially replaced by metals from group Ei. The degree of replacement is preferably a maximum of 50%, more preferably a maximum of 25%. examples are
Metallmischungen von 65 % W und 35 % Pt, 50% W, 40% Pt und 10% Ti oder 33% W und 67% Pd. Metal mixtures of 65% W and 35% Pt, 50% W, 40% Pt and 10% Ti or 33% W and 67% Pd.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist zudem ein elektrisch leitfähiges Material auf Basis von Mischmetall-Nanopartikeln, insbesondere segregierten The invention also relates to an electrically conductive material based on mixed metal nanoparticles, in particular segregated ones
Mischmetall-Nanopartikeln der allgemeinen Formel Mi Hi H2 H3 ...-NP, wobei Mi ein Element aus der Gruppe Pt, Pd, Rh, Ir und Hx ein Heterometallelement darstellt, wobei die Mischmetall-Nanopartikel einen inneren Kernbereich und einen äußeren Schalenbereich aufweisen, wobei die Atome des Elementes aus der Gruppe Mi = Pt, Pd, Rh, Ir im Wesentlichen im äußeren Schalenbereich und die Atome des zumindest einen Heterometallelementes im Wesentlichen im inneren Kernbereich der Nanopartikel angeordnet sind. Damit bringt das erfindungsgemäße elektrisch leitfähige Material die gleichen Vorteile mit sich, wie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Misch metal nanoparticles of the general formula Mi Hi H2 H3 ...- NP, where Mi is an element from the group Pt, Pd, Rh, Ir and Hx is a heterometallic element, the mischmetal nanoparticles having an inner core area and an outer shell area, wherein the atoms of the element from the group Mi = Pt, Pd, Rh, Ir are arranged essentially in the outer shell area and the atoms of the at least one heterometallic element are arranged essentially in the inner core area of the nanoparticles. The electrically conductive material according to the invention thus has the same advantages as already detailed in relation to the method according to the invention
Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials beschrieben worden sind. Unter einer erfindungsgemäßen Anordnung im Wesentlichen im inneren Kernbereich bzw. einer erfindungsgemäßen Anordnung im Wesentlichen im äußeren Manufacture of an electrically conductive material have been described. Under an arrangement according to the invention essentially in the inner core area or an arrangement according to the invention essentially in the outer
Schalenbereich wird im Rahmen der Erfindung hierbei insbesondere eine Anordnung von jeweils zumindest 70 at% der Anzahl der betreffenden Atome in dem entsprechenden Bereich verstanden, sodass erfindungsgemäß insbesondere zumindest 70% der Platinatome im äußeren Schalenbereich und zumindest 70% der Heterometallatome im inneren Kernbereich angeordnet sind. In the context of the invention, the shell area is understood to mean, in particular, an arrangement of at least 70 at% of the number of atoms in question in the corresponding area, so that according to the invention in particular at least 70% of the platinum atoms are arranged in the outer shell area and at least 70% of the heterometal atoms are arranged in the inner core area.
Hinsichtlich verbesserter Stabilitäts- und Aktivitätseigenschaften ist es erfindungsgemäß zudem denkbar, dass das atomare Verhältnis der With regard to improved stability and activity properties, it is also conceivable according to the invention that the atomic ratio of the
Heterometallatome Hx zur Gesamtzahl der Metallatome Hx + Mi in den Heterometal atoms Hx to the total number of metal atoms Hx + Mi in the
Mischmetall-Nanopartikeln zwischen 10% und 95%, vorzugsweise zwischen 20% und 90%, insbesondere zwischen 30% und 85% beträgt. Misch metal nanoparticles between 10% and 95%, preferably between 20% and 90%, in particular between 30% and 85%.
Im Rahmen einer gezielten Steuerung von Produkteigenschaften ist es ferner denkbar, wenn das elektrisch leitfähige Material zusätzlich Metalloxid- Nanopartikel umfasst, wobei die Metalloxid-Nanopartikel vorzugsweise im inneren Kernbereich angeordnet sind. Die Metalloxid-Nanopartikel können hierbei vorzugsweise in Form von ZrC>2, Ta2C>5, WO3 oder WOx gebildet sein und insbesondere in einem„seperaten“ Kernbereich angeordnet sein. Auf diese Weise können die Mischmetall-Nanopartikel bspw. einen äußeren In the context of a targeted control of product properties, it is also conceivable for the electrically conductive material to additionally comprise metal oxide nanoparticles, the metal oxide nanoparticles preferably being arranged in the inner core area. The metal oxide nanoparticles can preferably be formed in the form of ZrC> 2, Ta2C> 5, WO 3 or WO x and in particular be arranged in a “separate” core area. In this way, the mischmetal nanoparticles can, for example, have an outer
Schalenbereich aus Platin oder überwiegend (>70 at.-%) aus Platinatomen besitzen sowie einen inneren Kernbereich aufweisen, der aus mindestens einem Heterometall gebildet ist. Dieser Kernbereich kann dann vorteilhafterweise einen weiteren Kernbereich aufweisen, der ein Metalloxid, bspw. in Form von ZrC>2, Ta2C>5 oder WO3 oder WOx aufweist. Alternativ kann ein innerer Kernbereich aus einem Metalloxid gebildet sein und eine erste Schale umfassen, die aus ZryPtz, TayPtz oder WyPtz gebildet ist (mit y = 0,01 - 1, z = 0 - 0,99) sowie eine zweite äußerste Schale umfassen, die zumind. 70 at.-% aus Pt gebildet ist. Shell area made of platinum or predominantly (> 70 at .-%) made of platinum atoms and have an inner core area which is formed from at least one heterometal. This core area can then advantageously have a further core area which has a metal oxide, for example in the form of ZrC> 2, Ta2C> 5 or WO 3 or WO x . Alternatively, an inner core region can be formed from a metal oxide and comprise a first shell, which is formed from Zr y Pt z , Ta y Pt z or W y Pt z (with y = 0.01 - 1, z = 0 - 0, 99) and a second outermost shell, which at least. 70 at .-% is formed from Pt.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist schließlich ein voranstehend Finally, also the subject matter of the invention is a foregoing
beschriebenes elektrisch leitfähiges Material herstellbar durch ein Verfahren nach einem voranstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials. described electrically conductive material produced by a method according to a method described above for producing an electrically conductive material.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. There the features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Struktur eines erfindungsgemäßen Nanopartikels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel als Basis für ein elektrisch leitfähiges Material, 1 shows a schematic representation of a cross section of the structure of a nanoparticle according to the invention according to a first exemplary embodiment as a basis for an electrically conductive material,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Struktur eines erfindungsgemäßen Nanopartikels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel als Basis für ein elektrisch leitfähiges Material, 2 shows a schematic representation of a cross section of the structure of a nanoparticle according to the invention according to a second exemplary embodiment as a basis for an electrically conductive material,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines 3 shows a schematic representation of the individual steps of a
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen ersten Ausgangsverbindung, Process according to the invention for the preparation of a first starting compound according to the invention,
Fig. 4 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines 4 shows a schematic representation of the individual steps of a
erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials. Method according to the invention for producing an electrically conductive material according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Struktur eines erfindungsgemäßen segregierten Mischmetall-Nanopartikels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel als Basis für ein elektrisch leitfähiges Material. Das Mischmetall-Nanopartikel der allgemeinen Formel Mi Hi H2 H3 ...-NP umfasst vorliegend 1 shows a schematic representation of a cross section of the structure of a segregated mixed metal nanoparticle according to the invention according to a first exemplary embodiment as a basis for an electrically conductive material. The mischmetal nanoparticle of the general formula Mi Hi H 2 H 3 ...- NP comprises in the present case
12 Atome der Gruppe Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) 8, die vorliegend aus Pt gebildet und in einem äußeren Schalenbereich 6 angeordnet sind sowie 7 Atome eines vorliegend aus W gebildeten Heterometalls, die in einem inneren Kernbereich 4 angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der 12 atoms of the group Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) 8, which in the present case are formed from Pt and are arranged in an outer shell region 6, and 7 atoms of a heterometal in the present case formed from W, which are arranged in an inner core region 4. The inventive arrangement of
Heterometallatome im inneren Kernbereich 4 kann eine Oxidation sowie der Prozess des Leachings von Heteroatomen aus einem Mischmetall-Nanopartikel unterbunden werden. Alle Nanopartikel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials sollen hierbei idealtypisch gleichartig sein und somit auch gleichartige Kerne besitzen. Heterometallic atoms in the inner core area 4, an oxidation and the process of leaching heteroatoms from a mischmetal nanoparticle can be prevented. All nanoparticles of an electrically conductive material according to the invention should ideally be of the same type and thus also have similar cores.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Struktur eines erfindungsgemäßen segregierten Mischmetall-Nanopartikels gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel als Basis für ein elektrisch leitfähiges Material. Das Mischmetall-Nanopartikel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst neben FIG. 2 shows a schematic representation of a cross section of the structure of a segregated mixed metal nanoparticle according to the invention according to a second exemplary embodiment as a basis for an electrically conductive material. The mischmetal nanoparticle according to the second exemplary embodiment also includes
12 Atomen der Gruppe Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) 8, die vorliegend aus Pt gebildet und in einem äußeren Schalenbereich 6 angeordnet sind sowie 6 Atomen eines vorliegend aus W gebildeten Heterometalls, die in einem inneren Kernbereich 4 angeordnet sind, noch eine zentral im inneren Kernbereich 4 angeordnete Metalloxidverbindung, das vorliegend in Form einer W03-Verbindung gebildet ist. Eine derartige Integration von Metalloxidatomen in einem zentral angeordneten innersten Kernbereich 4‘ erlaubt insbesondere die spezifische Anpassung von Eigenschaften des erfindungsgemäßen elektrischen Materials. 12 atoms of the group Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir) 8, which in the present case are formed from Pt and are arranged in an outer shell region 6, and 6 atoms of a heterometal in the present case formed from W, which are arranged in an inner core region 4 a metal oxide compound arranged centrally in the inner core area 4, which is formed in the present case in the form of a WO3 compound. Such an integration of metal oxide atoms in a centrally arranged innermost core area 4 allows in particular the specific adaptation of properties of the electrical material according to the invention.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer erfindungsgemäßen ersten Ausgangsverbindung. 3 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for producing a first starting compound according to the invention.
In einem ersten Schritt 20 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt hierbei zunächst die Herstellung einer Metall-Diolat-Verbindung, insbesondere in Form einer Metall-Glykolat-Verbindung, indem ein passender Metallprecursor, wie bspw. H2WO4, WCI6 oder W(OEt)6 zu einem Diol gegeben und in Hitze behandelt werden. In a first step 20 of the method according to the invention, a metal diolate compound is initially produced, in particular in the form of a metal glycolate compound, by using a suitable metal precursor such as H2WO4, WCI 6 or W (OEt) 6 to form a Given diol and treated in heat.
In einem zweiten Schritt 22 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend die Herstellung einer Metalloxid-Lösung, indem die in Schritt 20 hergestellte Metall-Diolat-Verbindung mit einem Diol und Wasser und weiteren optionalen zusätzlichen Lösemitteln vermischt werden. In a second step 22 of the method according to the invention, a metal oxide solution is then produced in that the metal diolate compound produced in step 20 is mixed with a diol and water and other optional additional solvents.
Im dritten Schritt 24 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt schließlich die Herstellung von Metalloxid-Nanopartikeln, indem die in Schritt 22 hergestellte Metalloxid-Lösung thermisch bei Temperaturen von 70 - 220°C für 1 bis 20h behandelt wird. In the third step 24 of the method according to the invention, finally, the production of metal oxide nanoparticles takes place by the production in step 22 Metal oxide solution is thermally treated at temperatures of 70 - 220 ° C for 1 to 20 hours.
1. Ausführungsbeispiel einer ersten Ausgangsverbindung: 1st embodiment of a first output connection:
10 g H2WO4 werden in 50 g Ethylenglykol für 3 h bei 160°C gerührt, wobei Massenverluste nach der Reaktion mit Ethylenglykol ausgeglichen werden, sodass 60 g Gesamtmasse resultieren. 10 g of H 2 WO 4 are stirred in 50 g of ethylene glycol for 3 h at 160 ° C., mass losses after the reaction being compensated for with ethylene glycol, so that 60 g of total mass result.
2,6 g dieser Wolfram-Glykolat-Lösung werden mit ebenfalls 2,6 g einer Lösung von 0,33% Triethylamin in Ethylenglykol vermischt, bevor 0,45 g H2O und 4,35 g Ethylenglykol zugegeben werden. 2.6 g of this tungsten glycolate solution are mixed with 2.6 g of a solution of 0.33% triethylamine in ethylene glycol, before 0.45 g of H2O and 4.35 g of ethylene glycol are added.
Die Lösung enthält 4 Gew.-% Wolfram (bezogen auf WO3), 4,5 Gew.-% H2O und 0,086 Gew.-% Triethylamin (Wolfram:Triethylamin ca. 20:1). Der Rest ist Ethylenglykol bzw. Glykolateinheiten. The solution contains 4% by weight of tungsten (based on WO 3 ), 4.5% by weight of H 2 O and 0.086% by weight of triethylamine (tungsten: triethylamine approx. 20: 1). The rest is ethylene glycol or glycolate units.
Die Lösung wird in einem geschlossenen Gefäß für 12 h in einem Ofen bei 125°C behandelt. The solution is treated in a closed vessel in an oven at 125 ° C. for 12 h.
Es resultiert eine gelbe, klare Lösung sehr kleiner Wolframoxid-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von ca. 1-2 nm (siehe Fig. 4). Die erhaltene Lösung kann als Beschichtungsflüssigkeit direkt für Beschichtungen verwendet werden, wenn eine Beschichtung aus oxidischen Partikeln erforderlich ist. A yellow, clear solution of very small tungsten oxide nanoparticles with a diameter of approximately 1-2 nm results (see FIG. 4). The solution obtained can be used directly as a coating liquid for coatings when a coating of oxide particles is required.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials. 4 shows a schematic representation of the individual steps of a method according to the invention for producing an electrically conductive material according to the invention.
In einem ersten Schritt 30 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt hierbei zunächst ein Bereitstellen der ersten Ausgangsverbindung in Form von In a first step 30 of the method according to the invention, the first starting compound is initially provided in the form of
Heterometalloxid-Nanopartikeln, deren Herstellung voranstehend beschrieben wurde. Hierbei kann die erste Ausgangsverbindung vorteilhafterweise mit einer mittleren Partikelgröße (dso) von weniger als 50 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm, insbesondere von weniger als 5 nm bereitgestellt werden. Heterometal oxide nanoparticles, the production of which is described above has been. The first starting compound can advantageously be provided with an average particle size (dso) of less than 50 nm, preferably less than 20 nm, particularly preferably less than 10 nm, in particular less than 5 nm.
In einem zweiten Schritt 32 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Bereitstellen einer zweiten Ausgangsverbindung in Form eines Metallsalzes der Elemente Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir). Die zweite Ausgangsverbindung kann hierbei bspw. in Form von Platinkomplexen, wie H2PtCl6, Pt(NOs)2 oder dergleichen oder bspw. bereits in Form von Nanopartikeln gebildet sein, die dann vorteilhafterweise einen Durchmesser von 5 nm oder weniger haben. In a second step 32 of the method according to the invention, a second starting compound is then provided in the form of a metal salt of the elements Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir). The second starting compound can be in the form of platinum complexes, such as H2PtCl6, Pt (NOs) 2 or the like or, for example, already in the form of nanoparticles, which then advantageously have a diameter of 5 nm or less.
In einem dritten Schritt 34 des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt schließlich das Herstellen eines Gemisches, umfassend die erste und zweite In a third step 34 of the method according to the invention, a mixture is finally produced, comprising the first and second
Ausgangsverbindung. Output compound.
Die Herstellung des Gemisches kann hierbei insbesondere anhand eines Auftragens der ersten und zweiten Ausgangsverbindung auf ein Trägermaterial erfolgen. The mixture can be produced in particular by applying the first and second starting compounds to a carrier material.
Im Rahmen einer einfachen und effektiven Herstellung eines elektrisch leitfähigen Materials kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, dass ein Trägermaterial nacheinander mit der ersten und zweiten Ausgangsverbindung (oder andersherum) beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. In the context of a simple and effective production of an electrically conductive material, it can furthermore be provided according to the invention that a carrier material is coated in succession with the first and second starting compound (or vice versa), the coating preferably being carried out wet-chemically.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass ein Trägermaterial gleichzeitig mit der ersten und der zweiten Ausgangsverbindung beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. Alternatively, it can also be provided that a carrier material is coated at the same time with the first and the second starting compound, the coating preferably taking place wet-chemically.
Nach einem Imprägnieren bzw. Beschichten der Nanopartikel bzw. der After impregnating or coating the nanoparticles or the
Metallverbindungen oder der Metalle auf einem Trägermaterial kann das Material getrocknet und in einem abschließenden Schritt 36 thermisch behandelt werden. Die Trocknung kann hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 250°C, an Luft oder einem anderen Gas, in einem Metal compounds or the metals on a carrier material, the material can be dried and thermally treated in a final step 36. The drying can here preferably at a temperature between room temperature and 250 ° C, in air or another gas, in one
Gasstrom oder im Vakuum erfolgen. Gas flow or take place in a vacuum.
Die thermische Behandlung erfolgt bei einer Temperatur von zumindest 300°C, vorzugsweise von zumindest 500°C, insbesondere von zumindest 700°C, wobei eine Temperatur von 1200°C vorzugsweise nicht überschritten wird. Die The thermal treatment takes place at a temperature of at least 300 ° C., preferably of at least 500 ° C., in particular of at least 700 ° C., a temperature of 1200 ° C. preferably not being exceeded. The
Temperatur kann hierbei bspw. mindestens 30 min., bevorzugt mindestens 60 min. bei der Mindesttemperatur oder darüber gehalten werden und hierbei bevorzugt mittels einer definierten Rampe mit bspw. 2 K/min, 10 K/min, 40 K/min angefahren werden. The temperature can for example be kept at the minimum temperature or above for at least 30 minutes, preferably at least 60 minutes, and can be approached by means of a defined ramp with, for example, 2 K / min, 10 K / min, 40 K / min.
1. Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrisch leitfähigen Materials: 1st embodiment of an electrically conductive material according to the invention:
10 g einer voranstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Lösung mit W03-Nanopartikeln in Ethylenglykol mit 4 Gew% W wird eine Lösung von 570 mg Pt(N03)2 unter Rühren zugeführt. 10 g of a solution described above as an exemplary embodiment with W0 3 nanoparticles in ethylene glycol with 4% by weight of W, a solution of 570 mg of Pt (N0 3 ) 2 is added with stirring.
Diese Lösung wird auf ein Silicium-Wafersubstrat aufgebracht. Das beschichtete Substrat wird anschließend bei 150°C an Luft für 30 min. getrocknet, This solution is applied to a silicon wafer substrate. The coated substrate is then dried in air at 150 ° C for 30 min.
anschließend 30 min. bei 200°C und dann lh bei 650°C in 5% H2 in N2 ausgeheizt. then heated for 30 minutes at 200 ° C. and then for 1 hour at 650 ° C. in 5% H 2 in N 2 .
Es resultiert eine elektrisch gut leitfähige, metallisch spiegelnde Schicht eines Wolfram-Platin-Mischmetalls aus Nanopartikeln mit mittleren Durchmessern von rund 5 nm. The result is a highly electrically conductive, metallically reflective layer of a tungsten-platinum mixed metal made of nanoparticles with average diameters of around 5 nm.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es insbesondere möglich, unter Einsatz von ungiftigen bzw. mindergiftigen Verbindungen auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise stabile Katalysatormaterialien kleiner Partikelgröße und hoher Aktivität, insbesondere hoher Platin-spezifischer Aktivität hersteilen zu können. By means of the method according to the invention, it is possible in particular to be able to produce stable catalyst materials of small particle size and high activity, in particular high platinum-specific activity, in a simple, fast and inexpensive manner using non-toxic or less toxic compounds.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Herstellung von elektrisch leitfähigem Material auf Basis von Mischmetall-Nanopartikeln (2) der allgemeinen Formel Mi Hi H2 H3 ...-NP, umfassend die Schritte: 1. A process for the production of electrically conductive material based on mischmetal nanoparticles (2) of the general formula Mi Hi H2 H3 ...- NP, comprising the steps:
- Bereitstellen (30) einer ersten Ausgangsverbindung in Form von - Providing (30) a first starting compound in the form of
Heterometalloxid-Nanopartikeln, Heterometal oxide nanoparticles,
- Bereitstellen (32) einer zweiten Ausgangsverbindung in Form eines Metallsalzes der Elemente Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir), - providing (32) a second starting compound in the form of a metal salt of the elements Mi = (Pt, Pd, Rh, Ir),
- Herstellen (34) eines Gemisches, umfassend die erste und zweite Ausgangsverbindung, - producing (34) a mixture comprising the first and second starting compounds,
- thermische Behandlung (36) des Gemisches zur Herstellung der - Thermal treatment (36) of the mixture for the production of
Mischmetall-Nanopartikel (2). Misch metal nanoparticles (2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die erste Ausgangsverbindung mit einer mittleren Partikelgröße (dso) von weniger als 50 nm, vorzugsweise von weniger als 20 nm, besonders bevorzugt von weniger als 10 nm, insbesondere von weniger als 5 nm bereitgestellt wird. that the first starting compound is provided with an average particle size (d 50) of less than 50 nm, preferably of less than 20 nm, particularly preferably of less than 10 nm, in particular of less than 5 nm.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, 3. The method according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass ein Trägermaterial mit der ersten und/oder zweiten that a carrier material with the first and / or second
Ausgangsverbindung beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. Starting compound is coated, the coating preferably being carried out wet-chemically.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 4. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Trägermaterial gleichzeitig mit der ersten und der zweiten Ausgangsverbindung beschichtet wird, wobei die Beschichtung vorzugsweise nasschemisch erfolgt. characterized, that a carrier material is coated simultaneously with the first and the second starting compound, the coating preferably being carried out using a wet chemical process.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass Zusatzstoffe und/oder Vorläufermaterialien zugesetzt werden. that additives and / or precursor materials are added.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass zumindest 35 at-%, vorzugsweise zumindest 50 at-%, insbesondere zumindest 65 at% der Heterometallatome in Form von Nanopartikeln eingebracht werden. that at least 35 at%, preferably at least 50 at%, in particular at least 65 at% of the heterometal atoms are introduced in the form of nanoparticles.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur von zumindest 300°C, vorzugsweise von zumindest 500°C, insbesondere von zumindest 700°C erfolgt. that the thermal treatment takes place at a temperature of at least 300 ° C, preferably of at least 500 ° C, in particular of at least 700 ° C.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die thermische Behandlung unter nicht oxidierender, vorzugsweise unter reduzierender Atmosphäre erfolgt. that the thermal treatment takes place under a non-oxidizing, preferably under a reducing atmosphere.
9. Elektrisch leitfähiges Material auf Basis von Mischmetall-Nanopartikeln (2) der allgemeinen Formel Mi Hi H2 H3 ...-NP, 9. Electrically conductive material based on mischmetal nanoparticles (2) of the general formula Mi Hi H 2 H 3 ...- NP,
wobei Mi ein Element aus der Gruppe Pt, Pd, Rh, Ir und Hx ein where Mi is an element selected from the group consisting of Pt, Pd, Rh, Ir and Hx
Heterometallelement darstellt. Represents heterometallic element.
10. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 9, 10. Electrically conductive material according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Mischmetall-Nanopartikel (2) einen inneren Kernbereich (4) und einen äußeren Schalenbereich (6) aufweisen, wobei die Atome (8) des Elementes aus der Gruppe Mi = Pt, Pd, Rh, Ir im Wesentlichen im äußeren Schalenbereich (6) und die Atome (10) des zumindest einen that the mischmetal nanoparticles (2) have an inner core area (4) and an outer shell area (6), the atoms (8) of the element from the group Mi = Pt, Pd, Rh, Ir essentially in the outer shell area (6 ) and the atoms (10) of at least one
Heterometallelementes im Wesentlichen im inneren Kernbereich (4) der Nanopartikel angeordnet sind. Heterometallic element are arranged essentially in the inner core area (4) of the nanoparticles.
11. Elektrisch leitfähiges Material nach Anspruch 9 oder 10, 11. Electrically conductive material according to claim 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das atomare Verhältnis der Heterometallatome Hx (10) zur that the atomic ratio of the heterometal atoms Hx (10) to
Gesamtzahl der Metallatome Hx + Mi in den Mischmetall-Nanopartikeln (2) zwischen 10% und 95%, vorzugsweise zwischen 20% und 90%, insbesondere zwischen 30% und 85% beträgt. The total number of metal atoms Hx + Mi in the misch metal nanoparticles (2) is between 10% and 95%, preferably between 20% and 90%, in particular between 30% and 85%.
12. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, 12. Electrically conductive material according to one of claims 10 or 11, characterized in that
dass das elektrisch leitfähige Material zusätzlich Metalloxid-Nanopartikel (12) umfasst, wobei die Metalloxid-Nanopartikel (12) vorzugsweise im inneren Kernbereich (4) angeordnet sind. that the electrically conductive material additionally comprises metal oxide nanoparticles (12), the metal oxide nanoparticles (12) preferably being arranged in the inner core area (4).
13. Elektrisch leitfähiges Material nach einem der Ansprüche 9 bis 12, 13. Electrically conductive material according to one of claims 9 to 12,
herstellbar durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8. producible by a method according to one of claims 1 to 8.
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