WO2007033815A2 - Electrochemical method for producing nanoscalar metal compounds - Google Patents
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- WO2007033815A2 WO2007033815A2 PCT/EP2006/009106 EP2006009106W WO2007033815A2 WO 2007033815 A2 WO2007033815 A2 WO 2007033815A2 EP 2006009106 W EP2006009106 W EP 2006009106W WO 2007033815 A2 WO2007033815 A2 WO 2007033815A2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Definitions
- the present invention relates to an electrochemical process for producing nanoscale metal compounds in an electrolytic cell, wherein the electrolyte solution comprises a surface modifier and a precipitating component.
- ITO indium tin oxide
- ATO antimony tin oxide
- These layers are capable of reflecting infrared light (K-wafers) and, after appropriate reduction, they show a comparatively high electrical conductivity.
- the combination of conductivity and transparency has in particular ITO to an indispensable structural element of display elements, such.
- ITO infrared light
- ITO infrared light
- the production of nanoscale particles is of particular interest.
- Aerosol processes which are described, for example, in EP-A-0873791, lead to process-related hard agglomerates and moreover have the disadvantage of relatively low space-time yields. In combination with the high investment costs, these methods are uneconomical. Substantially more cost-effective, these mixed oxides are accessible via a precipitation reaction from the corresponding salts.
- the mixed oxides (eg ITO) prepared by the precipitation process are tempered after calcination in a reducing atmosphere (eg at 34O 0 C) in order to improve the conductivity of the powder.
- a reducing atmosphere eg at 34O 0 C
- US-A-5417816 describes an electrochemical process for producing ITO in which indium and tin electrodes or prealloyed indium / tin electrodes are anodically dissolved.
- the electrolyte used is an NH 4 NO 3 solution whose concentration is specified as 0.2 to 5 mol / l. It is stated that the current efficiency of the process breaks down as soon as the concentration of NH 4 NO 3 falls below the value of 0.2 mol / l liter (16 g / l).
- the precipitated primary products of the electrolysis must be washed consuming due to the high salt content, so that even in this process a heavy metal Wastewater accumulates. After calcination, particles having a particle size of about 0.5 to 18 ⁇ m are obtained. Thus, they are not suitable for direct incorporation into coating compositions and thin films because of their size.
- JP-A-63195101 discloses an electrochemical process for producing metal oxides by anodic dissolution of the corresponding metal in a divided cell.
- the electrolyte used are organic acids and / or ammonium salts of these acids.
- the electrolysis gives a metal ion solution.
- the metal ion solution is then concentrated to yield organometallic salts. Calcination yields indium oxide from these indium salts.
- This method requires a membrane to separate the cathode and anode compartments since the anolyte has a high concentration of dissolved In 3+ ions that can easily be cathodically deposited. This would lead to dendrite formation at the cathode.
- the aim of the present invention is an environmentally friendly, economical process for the preparation of metal compounds, especially metal oxides and especially binary or doped metal oxides, preferably in the particle size range of not more than 100 nm. These nanoscale particles are said to have a high re-dispersibility in organic and aqueous media and have a high purity.
- an electrochemical process for the production of nanoscale particles from a metal compound comprising the anodic dissolution of one or more metals in an electrolytic cell, the electrolytic solution of the electrolytic cell having a precipitating component which forms a sparingly soluble compound with the forming metal ions, which is the metal compound or a precursor thereof, and comprises a surface modifier for particles of the metal compound or a precursor thereof to form surface-modified particles of the metal compound or a precursor thereof, optionally separating the formed particles from the electrolyte solution and optionally the calcination of the particles formed.
- the particles produced may optionally be surface-modified.
- the invention relates to an electrochemical process for producing spherical and / or crystalline metal oxides or doped metal oxides, in particular indium tin oxide (ITO) and antimony tin oxide (ATO).
- ITO indium tin oxide
- ATO antimony tin oxide
- particles with a particle size of not more than 100 nm can be obtained.
- the powders produced in this way are distinguished by a very good redispersibility and a reactivity which is significantly higher than the known prior art in the subsequent reduction.
- the developed process works completely wastewater free.
- it has been found that the new powders in the production are not only much cheaper, but also surprisingly can be reduced at significantly lower temperatures.
- FIG. 1 an arrangement for the inventive method is shown.
- Fig. 2 shows the relationship between particle size and conductivity of the electrolyte solution again.
- nanoscale particles are produced, ie, the particle size is less than 1 micron.
- the mean particle diameter based on the surface agent, is determined by the BET method by nitrogen adsorption, it being possible to use Quantachrome Autosorb 6B as the measuring device for the measurement.
- the particle size is obtained by simple geometric conversion assuming spherical geometry and determined by standard methods density (at 20 0 C).
- the average particle diameter is preferably not more than 200 nm, particularly preferably not more than 100 nm, for example 1 to 200, preferably 2 to 100 nm, for example 2 to 50 nm. Preference is given to obtaining particles which are substantially spherical.
- the nanoscale particles produced are of a metal compound.
- the metal compound may contain one, two or more than two metals, where metal Compounds containing two metals are preferred. They may be stoichiometric or non-stoichiometric compounds. In the latter compounds, the atomic ratio of the metals in the compounds is variable, at least within certain limits. In particular, it may also be doped metal compounds.
- the doping element (s) may be any element, eg, As or P, but are preferably also a metal. Metals in this application also include semimetals such as germanium.
- the metal compound preferably contains at least one metal selected from Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In 1 Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo. , W 1 Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn and Cd, as well as the lanthanides and actinides, such as Ce and La, or mixtures thereof.
- the metals can take on any oxidation state in the compounds that are common to the metals.
- the compounds may be present in any modification (eg, crystal form) that are conventional.
- the metal compound is a compound of at least one metal having at least one non-metal. It can be e.g. to act ionic or covalent compounds.
- Anions can consist of one element or be complex. Examples are metal chalcogenides, such as oxides, sulfides, selenides and tellurides, metal halides, such as fluorides, chlorides, bromides and iodides, metal carbides, metal silicides, metal antimonides, metal nitrides, metal phosphides, metal hydroxides, metal carbonates, metal phosphates and metal phosphates.
- the metal compounds may contain more than one metal.
- Metal oxides, metal hydroxides and metal oxide hydroxides, which are optionally hydrated, are preferred metal compounds.
- Particularly preferred metal compounds are metal oxides.
- binary metal oxides, ie oxides of 2 metals, are particularly preferred.
- oxides, oxide hydroxides and oxides are BaO 1 ZnO, CdO, GeO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 , SnO 2 , Al 2 O 3 , AIO (OH), Al (OH) 3 , manganese oxides, In 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Iron oxides such as Fe 2 O 3 (maghemite, hematite), Fe 3 O 4 (magnetite), FeO (OH), Cu 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , MoO 3 or WO 3 , corresponding mixed oxides, eg indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), fluorine doped tin oxide (FTO) 1 calcium tungstate, and those with perovskite structure, such as BaTiO 3 , BaSnO 3 and PbTiO 3 , others
- suitable particles are also spinels (for example
- the production of the particles from a metal compound is carried out by an electrochemical process in which the one or more metals are connected in an electrolytic cell as an anode.
- the ore metals are dissolved anodically, whereby they go as cations in solution.
- the metal (s) of course, the one or more metals are used which correspond to those of the metal compound to be produced. If more than one metal, preferably 2 metals, are dissolved anodically, they may be presented individually as separate anodes, or they may be presented together as a master alloy or amalgam as an anode.
- the anode (s) and cathode (s) may be arranged in any conventional manner.
- a voltage is applied to the anode and cathode by means of a current source. The appropriate voltage and current will depend on the materials used and may be readily selected by one skilled in the art for the selected arrangement.
- an undivided electrolysis cell There are divided and undivided electrolysis cells.
- the anode and cathode compartments are separated by ion permeance, e.g. through an ion exchange membrane or a diaphragm.
- an undivided electrolytic cell is used in the invention.
- an aqueous solution of one or more electrolytes is preferably used.
- An electrolyte is contained in the water to provide the necessary conductivity of the electrolyte solution.
- the electrolyte solution also includes a surface modifier.
- the electrolytic solution may contain a surface modifier and an electrolyte. In the preferred embodiment, however, the surface modification agent simultaneously serves as an electrolyte in the electrolyte solution, so that no additional electrolyte is required.
- electrolyte is meant herein any added matter other than water that forms the necessary ions for conductivity in the electrolyte solution, and includes the surface modifier as long as it contributes to conductivity by ion formation.
- acids, bases and preferably salts are suitable for the electrolytes, but these are preferably added in relatively small amounts.
- the ion concentration in the electrolytic solution is preferably less than 0.4 mol / l.
- conductive salts are preferably used in a concentration of less than 0.2 mol / l.
- Conducting salts are preferably substantially 100% dissociated in the electrolyte solution. For compounds that do not dissociate completely, correspondingly higher concentrations are used.
- the electrolytic solution preferably has a low ionic strength and hence a low conductivity, which is preferably not more than 30 mS / cm and more preferably not more than 10 mS / cm. It can e.g. not larger than 4 mS / cm.
- the surface modifier contained in the electrolytic solution modifies the surface of the forming particles by interacting with the surface groups.
- the anodically formed primary products can be stabilized in situ without particle growth.
- the addition or adsorption onto the surface of the resulting primary particles can be carried out, for example, via a chemical bond, such as a covalent, coordinative or ionic bond, and / or polar (dipole-dipole) interaction or van der Waals forces. Preferred are chemical bonds.
- Such surface modifiers for nanoscale particles are familiar to those skilled in the art.
- On the forming particles are surface groups or functional groups which are generally relatively reactive.
- surface groups or functional groups which are generally relatively reactive.
- residual valences such as hydroxyl groups and oxy groups.
- the surface modifier has at least one functional group that can interact with these surface groups of the forming particles in the above-mentioned manner.
- the functional group of the surface modifier for attachment to the forming particles depends primarily on the surface groups of the particles and upon the desired interaction.
- preferred functional groups are carboxylic acid groups, carboxylate, acid amide groups (primary, secondary and tertiary) amino groups or the corresponding salts, hydroxyl groups and C-H-acidic groups, as in ⁇ -dicarbonyl compounds, and -SiOH or -SiOR groups.
- several of these groups may be present simultaneously in one molecule (e.g., betaines, amino acids, EDTA).
- the surface modifiers which are preferably organic, are preferably selected from carboxylic acids or their salts, oxacarboxylic acids or their salts, hydroxycarboxylic acids and their salts, amino acids and their salts, other carboxylic acid derivatives, e.g. Acid amides or acid anhydrides, amines, ⁇ -dicarbonyl compounds and hydrolyzable silanes having at least one nonhydrolyzable group.
- organic carboxylic acids or carboxylates wherein the groups COOH or COO ' are bonded to alkyl or aryl radicals.
- Suitable counterions for the carboxylate are all customary, preference being given to NH 4 + .
- surface modifiers are optionally substituted (eg with hydroxy) saturated or unsaturated mono- and polycarboxylic acids (preferably monocarboxylic acids) having 1 to 24 carbon atoms, such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, pentanoic acid, hexanoic acid, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid , Adipic acid, succinic acid, glutaric acid, oxalic acid, maleic acid, fumaric acid, benzoic acid, phenylacetic acid, itaconic acid and stearic acid, and the corresponding derivatives, such as acid anhydrides, chlorides, esters (preferably C 1 -C 4 -alkyl esters)
- the hydroxycarboxylic acids may be mono-, di- or polyhydroxycarboxylic acids. Examples are lactic acid, tartaric acid, citric acid and other fruit acids, salicylic acid and gallic acid. Other preferred surface modifiers are oxacarboxylic acids having 1 to 24 carbon atoms. These are carboxylic acids which contain oxa groups, ie ether bridges (-O-), in the alkyl chain. The oxacarboxylic acid may contain 1, 2, 3 or more oxa groups. Examples are methoxyacetic acid, 3,6-dioxaheptanoic acid and 3,6,9-trioxadecanoic acid (TODS) and their homologs.
- TODS 3,6,9-trioxadecanoic acid
- amine compounds such as ammonium salts and mono- or polyamines.
- Examples of ⁇ -dicarbonyl compounds are those having 4 to 12 carbon atoms, such as ⁇ -diketones and ⁇ -ketocarboxylic acids, and derivatives thereof.
- Examples are 2,4-hexanedione, 3,5-heptanedione, acetylacetone, diacetyl, acetonylacetone acetoacetic acid and acetoacetic acid-CrC 4 -alkyl esters (acetoacetates), such as ethyl acetoacetate, and acetoacetamides.
- Further examples of surface modifiers are amino acids such as ⁇ -alanine, proteins and imines.
- hydrolyzable silanes having at least one nonhydrolyzable group for example silanes of the general formula R n SiX (4-n) (I), where the radicals X are the same or different and are hydrolyzable groups or hydroxy groups Radicals R are the same or are different and are not hydrolyzable groups and n is 1, 2 or 3, preferably 1 or 2.
- the hydrolysable groups X which may be the same or different, for example, hydrogen or halogen (F, Cl, Br or I), alkoxy (preferably Ci -6 alkoxy, such as methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propoxy and butoxy), aryloxy (preferably C 6 io aryloxy, such as phenoxy), acyloxy (preferably C1-6 acyloxy, such as acetoxy or propionyloxy), alkylcarboxylic carbonyl (preferably C 2 - 7 alkyl-carbonyl such as acetyl), amino, monoalkylamino or dialkylamino.
- Preferred hydrolyzable radicals are halogen, alkoxy and acyloxy groups. Particularly preferred hydrolysable radicals are C 1-4 -alkoxy groups, in particular methoxy and ethoxy.
- non-hydrolysable radicals R which may be the same or different, are alkyl (eg C M o-alkyl, such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl and tert-butyl , pentyl, hexyl, octyl or cyclohexyl), alkenyl (for example, C 2- io-alkenyl, such as vinyl, 1-propenyl, 2-propenyl and butenyl), alkynyl (for example, C 2- io alkynyl such as acetylenyl and propargyl) , Aryl (preferably C 6-10 aryl such as phenyl and naphthyl), and corresponding alkylaryls and arylalkyls.
- the radicals R and X may optionally have one or more customary substituents, such as halogen or alky
- the radical R may have a functional group.
- functional groups include the epoxide, hydroxy, ether, amino, monoalkylamino, dialkylamino, optionally substituted anilino, amide, carboxy, acrylic, acryloyloxy, methacrylic, methacryloyloxy, mercapto , Cyano, alkoxy, isocyanato, aldehyde, alkylcarbonyl, acid anhydride and phosphoric acid groups.
- These functional groups are bonded to the silicon atom via alkylene, alkenylene or arylene bridging groups which may be interrupted by oxygen or -NH groups.
- bridging groups and any substituents present, as in the case of the alkylamino groups are derived, for example, from the alkyl, alkenyl or aryl radicals mentioned above or below.
- the radical R may also have more than one functional group.
- not Hydrolyzable R radicals having functional groups are glycidyloxypropyl, (meth) acryloyloxypropyl, aminopropyl and 3-isocyanatopropyl.
- the surface modifier has a relatively low molecular weight.
- the molecular weight may be less than 1,500, more preferably less than 1,000, and preferably less than 500, or less than 400 or even less than 300. Of course, this does not preclude a significantly higher molecular weight of the compounds (e.g., up to 2,000 and more).
- Nonionic surfactants are preferred, with polyethylene oxide derivatives being particularly preferred. It may be z. B. derivatives with saturated or unsaturated (mono) carboxylic acids, in particular with carboxylic acids having more than 7, preferably more than 11 carbon atoms, for. Polyethylene oxide derivatives with stearic, palmitic or oleic acid, such as those available under the trademark "Emulsogen.” They may also be derivatives with sorbitan esters (sorbitan + carboxylic acid), such as those mentioned above being suitable as the carboxylic acid These products are commercially available under the trademark "Tween”. Further, polyethylene oxide (mono) alkyl ethers, for example, with alcohols having more than 7, preferably more than 11 carbon atoms may be used, for. B. the products available under the brand "Brij”.
- Particularly preferred surface modifiers are the abovementioned carboxylic acids and carboxylic acid derivatives and their salts, in particular monocarboxylic acids and their salts, and oxacarboxylic acids and salts thereof.
- all customary cations can be used, for example Na + , K + or NH 4 + .
- NH 4 salts are particularly preferred because the ammonium cation is pyrolyzable.
- Preferred surface modifiers are, for example, acetic acid and 3,6,9-trioxadecanoic acid and salts thereof, in particular their ammonium salts. These ammonium salts are pyrolyzable.
- As the surface modifier and / or the electrolyte it is generally preferred to use pyrolyzable compounds. These can be removed during the calcination. Both Salts, the carboxylates act as a functional group for attachment to the surface of the particles.
- Both carboxylic acids and the salts can act as an electrolyte.
- the carboxylic acids and the salts differ in particular in that different pH values result in the electrolyte solution. As explained below, adjusting the pH for the process may be important. It is preferred to use surface modifiers having a carboxylate group, i. Salts of carboxylic acids.
- precipitation component it is possible to use all molecules or anions which form sparingly soluble compounds with the metal cations forming in the anodic dissolution.
- a precipitating component e.g. Hydrogen sulfides, sulfides, carbonates or phosphates, e.g. in the form of the ammonium, sodium or potassium salts.
- water or hydroxide ions of the aqueous electrolyte solution into consideration.
- hydroxide ions are present in water because of the dissociation equilibrium of water, the concentration of hydroxide ions depending on the pH of the solution.
- the dissolving metal ions with the precipitating component form sparingly soluble compounds, thereby forming in the solution the solid particles of the metal compound or a precursor thereof, which may be dispersed in the solution
- the sparingly soluble compounds are compounds which dissolve poorly in the respective medium, in this case the electrolyte solution, so that they precipitate out as a solid or form a dispersion
- the compounds which form are sparingly soluble are referred to as sparingly soluble, but it is preferred for the present invention that the compounds which form are sparingly soluble are that the concentration of the forming metal ions in the electrolyte is very low and even preferably close to zero, because this with the precipitating component the form sparingly soluble particles.
- the concentration of dissolved metal ions in the electrolytic solution is preferably less than 10 g / L, more preferably less than 1 g / L, and even more preferably less than 10 mg / L. In the examples, the concentration of dissolved metal ions is less than 2 mg / l.
- the forming particles of the metal compound or a precursor thereof may be e.g. to trade the metal sulfides, carbonates or phosphates. Preferably, however, it is the oxides and in particular the hydroxides or hydroxide oxides of the one or more metals.
- the pH of the electrolyte solution is adjusted so that precipitate the sparingly soluble or insoluble hydroxides or hydroxide oxides as particles or form a dispersion.
- the pH adjustment may conveniently be adjusted by the choice and amount of electrolyte and / or surface modifier.
- the pH of the electrolyte solution is adjusted such that the metal compound or precursor of the target compounds precipitates as insoluble hydroxides and the free concentration of the corresponding metal cations in the electrolyte solution is very low (near zero).
- the process can be used to prepare these hydroxides or hydroxide oxides.
- the hydroxides or hydroxide oxides obtained are used as precursors for the preparation of the corresponding metal oxides, which can be readily obtained therefrom by calcining.
- the electrolyte solution contains surface modifiers having a high surface adsorption tendency on the formed particles.
- electrolyte salts are preferably added to the electrolyte solution as conductive salts of pyrolyzable ions which have sorption tendency and thus simultaneously serve as a surface modifier.
- the electrolytic solution contains a surface modifier, and unlike the prior art, the electrolyte is preferably used in a small amount, so that the ionic strength of the electrolytic solution is relatively small. Furthermore, the electrolyte solution is adjusted so that forming metal cations are to a certain extent intercepted and precipitated in situ. Surprisingly, this can result in surface rich, i. nanoscale metal compounds, preferably metal oxide particles (preferably after calcination) and in particular binary mixed metal oxides are obtained in high purity in a direct electrochemical manner, without causing wastewater.
- the following is an attempt to explain the causes of these surprising results. This is exemplified by the formation of the hydroxides, but it applies analogously to the formation of other metal compounds.
- the process produces the desired target products in particular via the anodic dissolution of correspondingly alloyed anodes in electrolyte solutions with low ionic strength in the presence of surface-modifying substances.
- particles of the sparingly soluble hydroxides are formed in the electrolyte solution.
- the heavy or insoluble hydroxides precipitate directly in the Nernst diffusion layer in front of the anode, so that the free concentration of the corresponding metal cations in the electrolyte solution is extremely low. Since the electrolyte solution contains no free metal cations or only very low concentrations, the deposition of metal sludge or dendrites on the cathode is effectively suppressed. In contrast to other methods, therefore, a highly pure precipitate is obtained, which is free of metal sludge.
- the presence of the surface modifiers results in the insoluble hydroxides formed directly in the Nernst's diffusion layer of the anode being modified in situ with the surface modifier and thus with respect to one uncontrolled particle growth can be stabilized.
- the stabilization of the nanoparticles thermodynamically creates the prerequisite that the products formed do not remain adsorbed on the surface of the anode and block them after a short time.
- the thickness of the diffused bilayer is determined by the ionic strength of the aqueous phase. It is the smaller, the larger the ionic strength, because with increasing ionic strength, the surface charges are always better shielded. Because the bilayer is effectively the protective layer of the sol particle against coagulation, the stability of the dispersion is: the greater the ionic strength within the dispersant, the smaller the thickness of the bilayer, the greater the coagulation tendency.
- the concentration of the electrolytes preferably of the surface-modifying electrolyte additives, is to be kept low in order to prevent a collapse of the stabilizing effect on the precipitation products formed in the Nernst diffusion layer due to high ionic strength.
- a high ionic strength in the electrolyte thus leads to agglomeration and coagulation of the particles and thus to low BET surface areas. This is confirmed experimentally in the following examples.
- the conductivity of the electrolyte is below that customary in engineering electrolysis.
- This approach differs from the usual approach to optimizing electrochemical processes, which generally seeks high conductivity to minimize IR drop of the electrolyte solution.
- a relatively high cell voltage is required, the effect of which is, however, economically insignificant.
- the anodic dissolution can be carried out at any temperature. Preference is given to working at ambient temperature (eg 23 ° C) or slightly elevated temperature, such as 25 to 100 0 C. If necessary, it is also possible to work at temperatures below ambient temperature. Preference is given to slightly elevated temperatures of, for example, from 25 to 80 ° C., with particular preference being carried out at temperatures of from about 30 to 65 ° C. in the electrolysis cell. In particular, an undivided cell is used.
- the cathode may be an inert material, e.g. Stainless steel act.
- the anode and cathode are preferably made of identical material, i. both anode and cathode are of the metal (s) of the metal compound.
- the formed surface-stabilized particles of the metal compound or a precursor thereof, in particular the metal hydroxide particles carry surface charges via the adhering groups (eg acetate groups) and accordingly participate in the internal (ionic) current flow in the cell.
- adhering groups eg acetate groups
- these amorphous particles precipitate electrophoretically on the anode and form a mucilaginous coating (see Example 3).
- the current flow is therefore preferably reversed cyclically. After the polarity reversal, the current flow increases rapidly in the short term and the particles migrate to the counterelectrode.
- metal compounds having at least two metals are prepared, with metal compounds comprising two metals, such as binary metal oxides, being particularly preferred. In order to obtain the desired atomic ratio between the metals in the metal compound in these binary metal compounds, there are several possibilities in the inventive method. The following explanations apply mutatis mutandis to the production of metal compounds with three or more metals.
- separate anodes of the respective metals may be provided for the preparation of metal compounds having two metals.
- the desired atomic ratio of the metals in the metal compound can be adjusted via the ratio of the anode currents.
- Another possibility is to introduce the two metals as separate electrodes and to periodically umupupolen, wherein the atomic ratio of the metals in the metal compound over the ratio of the poling period is set anodic / cathodic.
- the two metals are presented as pre-alloyed anodes, wherein the atomic ratio of the metals in the metal compound is adjusted by the ratio of the metals in the alloy of the anode.
- particles of the metal compound or a precursor thereof are obtained.
- a precursor of the metal compound are those metal compounds which are not the desired target product and can be converted by calcination into the desired metal compound.
- particles of known metal hydroxides or metal hydroxide oxides, optionally hydrated, are obtained.
- these compounds are used as precursors for the preparation of the desired target compound, namely the corresponding metal oxides, by calcination.
- the conversion of the hydroxides into the metal oxides by calcination is well known to those skilled in the art.
- surface-modified particles of the metal compounds or a precursor thereof are formed, which are often amorphous.
- the particles are preferably separated off from the electrolyte solution by customary separation techniques (eg sedimentation, centrifuging and / or filtration / sieving) and dried. After the drying process, the surface modifier usually remains on the surface of the particles, but it may also be removed. If the resulting particles are not the desired target compound, they can be converted into them by calcination.
- a substance is subjected to a heat treatment, wherein a conversion reaction takes place.
- a conversion reaction takes place.
- This may be, for example, the removal of water of hydration, the partial or complete crystallization, the conversion to another modification (eg another crystal form) or a decomposition reaction.
- the calcination may optionally be carried out in an inert, an oxidizing and / or preferably a reducing atmosphere.
- a reduction or oxidation can also be carried out after a calcination. With the help of the reducing or oxidizing atmosphere, for example, the oxidation states of the metals can be adjusted as needed.
- Suitable temperatures for the calcination depend on the starting material and the desired conversion and are familiar to the person skilled in the art. Frequently, temperatures above 100, above 150 or above 200 ° C. or even above 250 ° C. are used.
- the calcination of the indium tin oxide / hydroxides to ITO is known and can be carried out, for example, at temperatures between 200 and 450 0 C, preferably at least partially in a reducing atmosphere. Further details on the calcination of ITO and the properties of ITO are described, for example, in WO 00/14017.
- the obtained particles are preferably subjected to calcination.
- the resulting optionally hydrated hydroxide or oxide hydroxide particles are converted into the corresponding metal oxide Particles transferred.
- calcination also decomposes or pyrolyzes the surface modifiers on the surface so that non-surface modified particles are obtained after calcination.
- Nanoscale metal compounds can therefore unexpectedly be obtained by the process according to the invention, in particular particles having a particle size of not more than 100 nm and even significantly less, eg not more than 50 nm.
- the products calcined at 400 ° C. show, for example, 80 to 150 m 2 / g BET surface (nitrogen) a significantly higher surface than comparable particles according to the previously known methods.
- TEM images show that the particle size of the particles produced in the examples is even at 5 to 10 nm.
- the electrolysis can be carried out batchwise or preferably continuously.
- Fig. 1 is an undivided electrolytic cell with an inlet and a drain.
- the electrolyte reservoir and settling tank 4 contains the electrolyte solution.
- the electrolyte solution is passed through the pump 2 in the inlet of the electrolytic cell 1, wherein it is brought by means of a heat exchanger to the desired temperature.
- the electrolyte solution which is charged by the electrolysis with the produced particles, flows back into the container 4, in which precipitate the particles. In this way, the electrolyte solution of the cell 1 is pumped via the settling vessel 4 in the circuit.
- the formed amorphous precipitation products settle in a simple manner at the bottom of the buffer vessel (hydro-cyclone principle) and can thus be continuously removed from the circulation.
- Fresh electrolyte solution or replenishers may be introduced at any location, e.g. in the container 4.
- the metals for example indium and tin metal, are separated or connected as an alloy as an anode. They can also be used as a cathode or it becomes an inert cathode used.
- the anodic dissolution of the one or more metals then takes place.
- the forming surface-modified particles which are often amorphous, are mechanically separated batchwise or preferably continuously, for example as a precipitate.
- the separated electrolyte solution is optionally recycled after filling in the electrolysis cell.
- the precipitate is dried and then preferably calcined, preferably in an oxidizing and / or reducing atmosphere, to obtain the desired product, eg a metal oxide, in particular an ITO powder.
- a divided electrolysis cell has a negative effect on the cell potential and also requires an increased design effort.
- the comparison of the methods described in Examples 1 and 2 shows the disadvantages of the divided cell.
- the current density goes back there when using an anion exchange membrane under otherwise the same conditions by more than an order of magnitude.
- a reversed polarity of the divided cell is not possible if the cathode and anode compartment must remain separate. This results in the formation of layers on the anode with the consequences of contamination of the product by coarse particulate detachments and passivation of the anode. This results in a decrease in the current or increase in the cell potential. Therefore, undivided electrolysis cells are preferred.
- the manufactured particles are u.a. used to produce transparent conductive films (displays and EMI applications) as well as refractive index modification in films.
- an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 3 cm 2 was electrolytically dissolved.
- a voltage of 40 V was applied to the anode and a cathode made of stainless steel.
- the resulting current was about 100 mA, which was one Current density of about 30 mA / cm 2 corresponds.
- the electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel.
- the pH of the solution was 3. After 60 minutes of the test, a clear metallic dendrite growth at the cathode as well as a gray turbidity of the solution due to metallic particles which had separated from the cathode could be recognized.
- Example 2 (Comparison) Experiment with organic acid in a divided cell
- an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7 wt% and an area of 47 cm 2 was electrolytically dissolved.
- the electrolysis cell was divided by an anion exchange membrane (thickness about 60 ⁇ m, type fumasep FAP) into the anode and cathode compartments.
- a voltage of 40 V was applied between the anode and the stainless steel cathode.
- the resulting current was initially 160 mA and dropped over the test period from 100 min to about 70 mA. On average, this corresponds to a current density of 2 mA / cm 2 .
- the solution in the anode compartment remained clear, dendrite growth at the cathode remained off. However, despite the high cell voltage of 40 V, the current density was still significantly below that of a technically relevant method.
- an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 40 cm 2 was electrolytically dissolved.
- a voltage of 40 V was applied between the described anode and the cathode (stainless steel cathode).
- the resulting current was initially about 1,000 mA and thus corresponded to a current density of about 25 mA / cm 2 .
- the electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 7, the temperature at 50 0 C. After about half an hour of experimentation, the growth of a gray, mechanically easily peelable layer was observed on the anode.
- an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 3 cm 2 was electrolytically dissolved.
- a voltage of 40 V was applied between the described anode and the stainless steel cathode used.
- the ITO powders obtained after calcination had specific surface areas of about 100 m 2 / g, but differed in part qualitatively from those obtained in example 4. It was found that the color of the powders at high ammonium acetate concentrations deviates from the yellow color obtained in Example 4 and a transition to greyish ocher dyeing occurs.
- Example 4 The procedure was as in Example 4, but with reduced current density.
- an aqueous solution containing 4 g / L of ammonium acetate two identical In-Sn alloy plate electrodes having a tin content of 5% by weight were electrolytically dissolved.
- the pH was 7.
- the polarity of the cell is reversed every 2 minutes.
- the electrode area was 125 cm 2 with an electrode spacing of 18 mm.
- the experimental setup was the same as in Example 4.
- the conductivity of the solutions was 4 mS / cm and the resulting average current densities were 24 imA / cm 2 .
- the ITO powder obtained after calcination had a BET specific surface area of 141 m 2 / g.
- the color of the powder was ocher with a gray background.
- Example 8 Reduction of the product obtained according to Example 4
- the calcined product obtained according to Example 4 was reduced at 210 ° C in a stream of hydrogen (2 l / min).
- the color of the Feschers changed within 15 min from yellow to green to green / blue.
- a comparison product obtained from the conventional precipitation via InCb with subsequent washing and calcining shows no color change under these conditions. Its reduction started only at 25O 0 C and thus needed a 4O 0 C higher reduction temperature. This demonstrates that in the process according to the invention the incorporation of the Sn 4+ obviously takes place very homogeneously in the bixbyite lattice.
- Example 9 ATO, experiment with neutral conducting salt in undivided cell
- an alloyed Sb-Sn anode having an antimony content of 5 wt% and an area of 40 cm 2 was electrolytically dissolved.
- a voltage of 40 V was applied between the described anode and a cathode made of stainless steel.
- the resulting current was initially about 1,230 mA, which corresponded to a current density of about 30 mA / cm 2 .
- the electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel.
- the pH of the solution was 7, the temperature at 60 0 C.
- the electrolyte solution formed a gray, flaky primary product which, after drying and calcination, was an ocher-colored solid.
- the BET surface area of the calcined product was 100 mm 2 / g. Crystallographic analysis of the calcined solid by XRD revealed a cassiterite-type crystal structure as expected for ATO.
- Example 11 Iron oxide, experiment with neutral conducting salt in undivided cell
- nanoscale iron oxide was prepared by the novel process.
- an aqueous solution containing 0.375 g / l of ammonium acetate a pure iron anode having an area of 60 cm 2 was electrolytically dissolved.
- a voltage of 40 V was applied to the described anode and a cathode made of stainless steel.
- the resulting current was about 1100 mA, which corresponded to a current density of about 18 mA / cm 2 .
- the electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 7, the temperature at 60 0 C.
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Abstract
Description
Elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen MetallverbindungenElectrochemical process for the production of nanoscale metal compounds
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen Metallverbindungen in einer Elektrolysezelle, wobei die Elektrolyt- lösung ein Oberflächenmodifizierungsmittel und eine Fällungskomponente umfasst.The present invention relates to an electrochemical process for producing nanoscale metal compounds in an electrolytic cell, wherein the electrolyte solution comprises a surface modifier and a precipitating component.
Aufgrund ihrer speziellen opto-elektronischen Eigenschaften gibt es für Indium-Zinn- Oxid (ITO) und Antimon-Zinn-Oxid (ATO) eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Meistens werden diese Mischoxide durch (reaktives) Sputtem in Form von dünnen, und im sichtbaren Wellenlängenbereich transparenten, Schichten hergestellt. Neuere Ansätze gehen dazu über, diese Schichten über durch Sol/Gel- Verfahren hergestellte Beschichtungszusammensetzungen herzustellen. Dabei werden nanoskalige Pulver benötigt, die in den Beschichtungszusammensetzungen leicht redispergierbar sind.Due to their special optoelectronic properties, indium tin oxide (ITO) and antimony tin oxide (ATO) offer a wide range of possible applications. In most cases, these mixed oxides are produced by (reactive) sputtering in the form of thin layers which are transparent in the visible wavelength range. More recent approaches have been made to prepare these layers by sol / gel process coating compositions. This requires nanoscale powders which are readily redispersible in the coating compositions.
Diese Schichten sind in der Lage, Infrarot-Licht zu reflektieren (K-Scheiben) und sie zeigen nach entsprechender Reduktion eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Kombination von Leitfähigkeit und Transparenz hat insbesondere ITO zu einem unerlässlichen Strukturelement von Anzeigeelementen, wie z. B. Flüssigkristallanzeigen, werden lassen. Daraus ergibt sich ein wachsender Bedarf an ITO und ein zunehmendes Interesse nach Verfahren zur Herstellung dieses Mischoxids. Im Hinblick auf Transparenz und Dispergierbarkeit ist insbesondere die Herstellung von nanoskaligen Teilchen von besonderem Interesse.These layers are capable of reflecting infrared light (K-wafers) and, after appropriate reduction, they show a comparatively high electrical conductivity. The combination of conductivity and transparency has in particular ITO to an indispensable structural element of display elements, such. As liquid crystal displays, let. As a result, there is an increasing demand for ITO and an increasing interest in processes for producing this mixed oxide. With regard to transparency and dispersibility, the production of nanoscale particles is of particular interest.
Es wurden im Laufe der Zeit unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von ITO entwickelt. Wichtige Verfahren sind Aerosolverfahren, Sol-Gel-Verfahren sowie elektrochemische Verfahren. Aerosolverfahren, die z.B. in EP-A-0873791 beschrieben sind, führen verfahrenstechnisch bedingt zu harten Agglomeraten und haben darüber hinaus den Nachteil relativ geringer Raum-Zeit-Ausbeuten. In Kombination mit den hohen Anlagekosten sind diese Verfahren unwirtschaftlich. Wesentlich kostengünstiger sind diese Mischoxide über eine Fällungsreaktion aus den korrespondierenden Salzen zugänglich. In D E-A- 19849048, DE-T2-69818404; DE-T2-69303126, JP-A-06293517 und JP-A-06080422 werden die Herstellung von ITO-Pulvern durch Co-Fällung von Indium- und Zinnsalzen, z.B. Chloride oder Nitrate, beschrieben. Zur Fällung wird eine Lösung der Salze z.B. durch Zugabe von NH3 basisch gemacht, wobei als Nebenprodukte die NH4-Salze der verwendeten Indium- und Zinnsalze, wie z.B. NH4CI, anfallen. Da diese Salze bereits in sehr geringer Konzentration die Eigenschaften der gebildeten ITO-Pulver negativ beeinflussen, müssen die gefällten Rohprodukte vor dem Calcinieren aufwendig gewaschen werden. Dabei fallen erhebliche Mengen chlorid- oder nitrathaltiger Abwässer an. Da diese zudem mit den Schwermetallen (In3+, Sn4+) belastetet sind, können diese nicht ohne entsprechende Aufarbeitung in die Kläranlage eingeleitet werden.Over time, different methods for producing ITO have been developed. Important processes are aerosol processes, sol-gel processes and electrochemical processes. Aerosol processes, which are described, for example, in EP-A-0873791, lead to process-related hard agglomerates and moreover have the disadvantage of relatively low space-time yields. In combination with the high investment costs, these methods are uneconomical. Substantially more cost-effective, these mixed oxides are accessible via a precipitation reaction from the corresponding salts. In D EA-19849048, DE-T2-69818404; DE-T2-69303126, JP-A-06293517 and JP-A-06080422 describe the preparation of ITO powders by co-precipitation of indium and tin salts, eg chlorides or nitrates. For precipitation, a solution of the salts is made basic, for example by the addition of NH 3 , as by-products, the NH 4 salts of the indium and tin salts used, such as NH 4 CI incurred. Since these salts adversely affect the properties of the formed ITO powder even in very low concentrations, the precipitated crude products must be washed consuming before calcination. Significant amounts of chloride or nitrate-containing wastewater accumulate. Since these are also contaminated with the heavy metals (In 3+ , Sn 4+ ), they can not be introduced without appropriate work-up in the sewage treatment plant.
Die nach dem Fällungsverfahren hergestellten Mischoxide (z.B. ITO) werden nach dem Calcinieren in reduzierender Atmosphäre (z.B. bei 34O0C) getempert, um die Leitfähigkeit des Pulvers zu verbessern. Durch Zerkleinerung oder Dispergierung kann das ITO Pulver anschließend in eine Suspension für Beschichtungen überführt oder zu Formkörpern gepresst werden.The mixed oxides (eg ITO) prepared by the precipitation process are tempered after calcination in a reducing atmosphere (eg at 34O 0 C) in order to improve the conductivity of the powder. By crushing or dispersing the ITO powder can then be transferred into a suspension for coatings or pressed into shaped bodies.
Neben dem genannten Problem der Nebenproduktbildung und der damit verbundenen Abwasserproblematik ist bei allen Fällungsverfahren nachteilig, dass die einzusetzenden Salze, wie z.B. InCb, sehr rein sein müssen. Solche reinen Salze sind aber sehr viel teurer als die zugrunde liegenden Metalle.In addition to the mentioned problem of by-product formation and the associated wastewater problem, it is disadvantageous in all precipitation processes that the salts to be used, such as e.g. InCb, need to be very pure. However, such pure salts are much more expensive than the underlying metals.
US-A-5417816 beschreibt ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von ITO, bei dem Indium- und Zinn-Elektroden oder vorlegierte Indium/Zinn-Elektroden anodisch aufgelöst werden. Als Elektrolyt wird eine NH4NO3-Lösung verwendet, deren Konzentration mit 0,2 bis 5 mol/l angegeben wird. Es wird angegeben, dass die Stromausbeute des Verfahrens zusammenbricht, sobald die Konzentration von NH4NO3 den Wert von 0,2 mol/l Liter (16 g/l) unterschreitet. Die gefällten Primärprodukte der Elektrolyse müssen aufgrund des hohen Salzgehaltes aufwendig gewaschen werden, so dass auch bei diesem Verfahren ein schwermetallhaltiges Abwasser anfällt. Nach der Calcinierung werden Teilchen mit einer Teilchengröße von etwa 0,5 bis 18 μm erhalten. Damit sind sie für die direkte Einarbeitung in Beschichtungszusammensetzungen und dünnen Schichten wegen ihrer Größe nicht einsetzbar.US-A-5417816 describes an electrochemical process for producing ITO in which indium and tin electrodes or prealloyed indium / tin electrodes are anodically dissolved. The electrolyte used is an NH 4 NO 3 solution whose concentration is specified as 0.2 to 5 mol / l. It is stated that the current efficiency of the process breaks down as soon as the concentration of NH 4 NO 3 falls below the value of 0.2 mol / l liter (16 g / l). The precipitated primary products of the electrolysis must be washed consuming due to the high salt content, so that even in this process a heavy metal Wastewater accumulates. After calcination, particles having a particle size of about 0.5 to 18 μm are obtained. Thus, they are not suitable for direct incorporation into coating compositions and thin films because of their size.
In JP-A-63195101 wird ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von Metalloxiden durch anodische Auflösung des entsprechenden Metalls in einer geteilten Zelle beschrieben. Als Elektrolyt werden organische Säuren und/oder Ammoniumsalze dieser Säuren verwendet. Durch die Elektrolyse wird eine Metallionenlösung erhalten. Die Metallionenlösung wird dann konzentriert, wodurch Organometallsalze erhalten werden. Durch Calcinierung wird aus diesen Indiumsalzen Indiumoxid erhalten. Dieses Verfahren benötigt eine Membran zur Trennung von Kathoden- und Anodenraum, da der Anolyt eine hohe Konzentration an gelösten In3+-lonen aufweist, die sich leicht kathodisch abscheiden können. Dies würde zur Dendritenbildung an der Kathode führen.JP-A-63195101 discloses an electrochemical process for producing metal oxides by anodic dissolution of the corresponding metal in a divided cell. The electrolyte used are organic acids and / or ammonium salts of these acids. The electrolysis gives a metal ion solution. The metal ion solution is then concentrated to yield organometallic salts. Calcination yields indium oxide from these indium salts. This method requires a membrane to separate the cathode and anode compartments since the anolyte has a high concentration of dissolved In 3+ ions that can easily be cathodically deposited. This would lead to dendrite formation at the cathode.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein umweltfreundliches, wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Metallverbindungen, vor allem von Metalloxiden und insbesondere binären oder dotierten Metalloxiden, bevorzugt im Partikelgrößenbereich von nicht mehr als 100 nm. Diese nanoskaligen Partikel sollen eine hohe Re- dispergierbarkeit in organischen und wässrigen Medien sowie eine hohe Reinheit aufweisen.The aim of the present invention is an environmentally friendly, economical process for the preparation of metal compounds, especially metal oxides and especially binary or doped metal oxides, preferably in the particle size range of not more than 100 nm. These nanoscale particles are said to have a high re-dispersibility in organic and aqueous media and have a high purity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen Teilchen aus einer Metallverbindung, umfassend das anodische Auflösen von einem oder mehreren Metallen in einer Elektrolysezelle, wobei die Elektrolytlösung der Elektrolysezelle eine Fällungskomponente, die mit den sich bildenden Metallionen eine schwer lösliche Verbindung bildet, die die Metallverbindung oder eine Vorstufe davon ist, und ein Oberflächenmodifizierungsmittel für Teilchen der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon umfasst, so dass oberflächenmodifizierte Teilchen aus der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon gebildet werden, gegebenenfalls die Abtrennung der gebildeten Teilchen von der Elektrolytlösung und gegebenenfalls die Calcinierung der gebildeten Teilchen. Die hergestellten Teilchen können gegebenenfalls oberflächenmodifiziert sein.This object is achieved by an electrochemical process for the production of nanoscale particles from a metal compound, comprising the anodic dissolution of one or more metals in an electrolytic cell, the electrolytic solution of the electrolytic cell having a precipitating component which forms a sparingly soluble compound with the forming metal ions, which is the metal compound or a precursor thereof, and comprises a surface modifier for particles of the metal compound or a precursor thereof to form surface-modified particles of the metal compound or a precursor thereof, optionally separating the formed particles from the electrolyte solution and optionally the calcination of the particles formed. The particles produced may optionally be surface-modified.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein elektrochemisches Verfahren zur Herstellung von sphärischen und/oder kristallinen Metalloxiden bzw. dotierten Metalloxiden, insbesondere Indium-Zinn-Oxid (ITO) und Antimon-Zinn-Oxid (ATO). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Teilchen mit einer Partikelgröße von nicht mehr als 100 nm erhalten werden. Die so hergestellten Pulver zeichnen sich durch eine sehr gute Redispergierbarkeit und eine deutlich über dem bekannten Stand der Technik liegende Reaktivität bei der anschließenden Reduktion aus. Das entwickelte Verfahren arbeitet zudem völlig abwasserfrei. Außerdem wurde gefunden, dass die neuen Pulver in der Herstellung nicht nur weitaus günstiger sind, sondern sich auch überraschenderweise bei deutlich geringeren Temperaturen reduzieren lassen.In particular, the invention relates to an electrochemical process for producing spherical and / or crystalline metal oxides or doped metal oxides, in particular indium tin oxide (ITO) and antimony tin oxide (ATO). With the method according to the invention particles with a particle size of not more than 100 nm can be obtained. The powders produced in this way are distinguished by a very good redispersibility and a reactivity which is significantly higher than the known prior art in the subsequent reduction. The developed process works completely wastewater free. In addition, it has been found that the new powders in the production are not only much cheaper, but also surprisingly can be reduced at significantly lower temperatures.
In Fig. 1 ist eine Anordnung für das erfindungsgemäße Verfahren dargestellt. Fig. 2 gibt den Zusammenhang zwischen Teilchengröße und Leitfähigkeit der Elektrolytlösung wieder.In Fig. 1, an arrangement for the inventive method is shown. Fig. 2 shows the relationship between particle size and conductivity of the electrolyte solution again.
Durch das Verfahren nach der Erfindung werden nanoskalige Teilchen hergestellt, d.h. die Teilchengröße ist kleiner als 1 μm. Unter Teilchengröße wird hier, sofern nicht anders angegeben, der mittlere Teilchendurchmesser bezogen auf das Oberflächenmittel bestimmt nach dem BET-Verfahren durch Stickstoffadsorption verstanden, wobei als Messvorrichtung Quantachrome Autosorb 6B zur Messung verwendet werden kann. Die Teilchengröße ergibt sich durch einfache geometrische Umrechnung unter Annahme von Kugelgeometrie und mit nach Standardverfahren ermittelter Dichte (bei 200C). Der mittlere Teilchendurchmesser beträgt bevorzugt nicht mehr als 200 nm, besonders bevorzugt nicht mehr als 100 nm, z.B. 1 bis 200, bevorzugt 2 bis 100 nm, z.B. 2 bis 50 nm. Bevorzugt werden Teilchen erhalten, die im wesentlichen kugelförmig sind.By the method according to the invention nanoscale particles are produced, ie, the particle size is less than 1 micron. By particle size, unless otherwise stated, the mean particle diameter, based on the surface agent, is determined by the BET method by nitrogen adsorption, it being possible to use Quantachrome Autosorb 6B as the measuring device for the measurement. The particle size is obtained by simple geometric conversion assuming spherical geometry and determined by standard methods density (at 20 0 C). The average particle diameter is preferably not more than 200 nm, particularly preferably not more than 100 nm, for example 1 to 200, preferably 2 to 100 nm, for example 2 to 50 nm. Preference is given to obtaining particles which are substantially spherical.
Die hergestellten nanoskaligen Teilchen sind aus einer Metallverbindung. Die Metallverbindung kann ein, zwei oder mehr als zwei Metalle enthalten, wobei Metall- Verbindungen, die zwei Metalle enthalten, bevorzugt sind. Es kann sich um stöchio- metrische oder nicht-stöchiometrische Verbindungen handeln. In letztgenannten Verbindungen ist das Atomverhältnis der Metalle in den Verbindungen zumindest in gewissen Grenzen variabel. Es kann sich insbesondere auch um dotierte Metallverbindungen handeln. Das oder die Dotierungselemente können ein beliebiges Element sein, z.B. As oder P, sie sind aber bevorzugt ebenfalls ein Metall. Metalle schließen in dieser Anmeldung auch Halbmetalle wie Germanium ein.The nanoscale particles produced are of a metal compound. The metal compound may contain one, two or more than two metals, where metal Compounds containing two metals are preferred. They may be stoichiometric or non-stoichiometric compounds. In the latter compounds, the atomic ratio of the metals in the compounds is variable, at least within certain limits. In particular, it may also be doped metal compounds. The doping element (s) may be any element, eg, As or P, but are preferably also a metal. Metals in this application also include semimetals such as germanium.
Für das oder die Metalle der Metallverbindungen kommen alle Metalle des Periodensystems der Elemente in Frage. Die Metallverbindung enthält bevorzugt mindest ein Metall ausgewählt aus Mg, Ca, Sr, Ba, AI, Ga, In1 Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W1 Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn und Cd, sowie den Lanthaniden und Actiniden, wie Ce und La, oder Mischungen davon. Die Metalle können in den Verbindungen jede Oxidationsstufe annehmen, die für die Metalle üblich sind. Die Verbindungen können in jeder Modifikation (z.B. Kristallform) vorliegen, die üblich sind.For the metal or metals of the metal compounds all metals of the Periodic Table of the Elements in question. The metal compound preferably contains at least one metal selected from Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In 1 Tl, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo. , W 1 Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn and Cd, as well as the lanthanides and actinides, such as Ce and La, or mixtures thereof. The metals can take on any oxidation state in the compounds that are common to the metals. The compounds may be present in any modification (eg, crystal form) that are conventional.
Bei der Metallverbindung handelt es sich um eine Verbindung von mindestens einem Metall mit mindestens einem Nichtmetall. Es kann sich z.B. um ionische oder kovalente Verbindungen handeln. Anionen können aus einem Element bestehen oder komplex sein. Beispiele sind Metallchalkogenide, wie Oxide, Sulfide, Selenide und Telluride, Metallhalogenide, wie Fluoride, Chloride, Bromide und lodide, Metall- carbide, Metallsilicide, Metallantimonide, Metallnitride, Metallphosphide, Metallhydroxide, Metallcarbonate, Metallphosphate und Metallphosphate. Die Metallverbindungen können mehr als ein Metall enthalten.The metal compound is a compound of at least one metal having at least one non-metal. It can be e.g. to act ionic or covalent compounds. Anions can consist of one element or be complex. Examples are metal chalcogenides, such as oxides, sulfides, selenides and tellurides, metal halides, such as fluorides, chlorides, bromides and iodides, metal carbides, metal silicides, metal antimonides, metal nitrides, metal phosphides, metal hydroxides, metal carbonates, metal phosphates and metal phosphates. The metal compounds may contain more than one metal.
Metalloxide, Metallhydroxide und Metalloxidhydroxide, die gegebenenfalls hydra- tisiert sind, sind bevorzugte Metallverbindungen. Besonders bevorzugte Metallverbindungen sind Metalloxide. Dabei sind binäre Metalloxide, also Oxide von 2 Metallen, besonders bevorzugt.Metal oxides, metal hydroxides and metal oxide hydroxides, which are optionally hydrated, are preferred metal compounds. Particularly preferred metal compounds are metal oxides. In this case, binary metal oxides, ie oxides of 2 metals, are particularly preferred.
Beispiele für Oxide, Oxidhydroxide und Oxide sind BaO1 ZnO, CdO, GeO2, TiO2, ZrO2, CeO2, SnO2, AI2O3, AIO(OH), AI(OH)3, Manganoxide, In2O3, Y2O3, La2O3, Eisenoxide wie Fe2O3 (Maghemit, Hämatit), Fe3O4 (Magnetit), FeO(OH), Cu2O, Ta2O5, Nb2O5, V2O5, MoO3 oder WO3, entsprechende Mischoxide, z.B. Indium-Zinn- Oxid (ITO), Antimon-Zinn-Oxid (ATO), fluor-dotiertes Zinnoxid (FTO)1 Calcium- wolframat, und solche mit Perowskitstruktur, wie BaTiO3, BaSnO3 und PbTiO3, Weitere Beispiele für zweckmäßige Partikel sind ferner Spinelle (z.B. MgO AI2O3). Besonders bevorzugt sind ZnO, SnO2, AI2O3, AI2O3-dotiertes ZnO und In2O3, ITO, ATO und Eisenoxide, wobei ITO, ATO und Eisenoxide besonders bevorzugt sind.Examples of oxides, oxide hydroxides and oxides are BaO 1 ZnO, CdO, GeO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , CeO 2 , SnO 2 , Al 2 O 3 , AIO (OH), Al (OH) 3 , manganese oxides, In 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Iron oxides such as Fe 2 O 3 (maghemite, hematite), Fe 3 O 4 (magnetite), FeO (OH), Cu 2 O, Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , V 2 O 5 , MoO 3 or WO 3 , corresponding mixed oxides, eg indium tin oxide (ITO), antimony tin oxide (ATO), fluorine doped tin oxide (FTO) 1 calcium tungstate, and those with perovskite structure, such as BaTiO 3 , BaSnO 3 and PbTiO 3 , others Examples of suitable particles are also spinels (for example MgO Al 2 O 3 ). ZnO, SnO 2 , Al 2 O 3 , Al 2 O 3 -doped ZnO and In 2 O 3 , ITO, ATO and iron oxides are particularly preferred, with ITO, ATO and iron oxides being particularly preferred.
Die Herstellung der Teilchen aus einer Metallverbindung erfolgt durch ein elektrochemisches Verfahren, bei dem das oder die Metalle in einer Elektrolysezelle als Anode geschaltet werden. Dabei werden das oder die Metalle anodisch aufgelöst, wodurch sie als Kationen in Lösung gehen. Als Metall(e) werden natürlich das oder die Metalle verwendet, die mit denen der herzustellenden Metallverbindung korrespondieren. Wenn mehr als ein Metall, vorzugsweise 2 Metalle anodisch aufgelöst werden, können diese einzeln als getrennte Anoden vorgelegt werden oder sie können zusammen als Vorlegierung oder Amalgam als Anode vorgelegt werden.The production of the particles from a metal compound is carried out by an electrochemical process in which the one or more metals are connected in an electrolytic cell as an anode. In this case, the ore metals are dissolved anodically, whereby they go as cations in solution. As the metal (s), of course, the one or more metals are used which correspond to those of the metal compound to be produced. If more than one metal, preferably 2 metals, are dissolved anodically, they may be presented individually as separate anodes, or they may be presented together as a master alloy or amalgam as an anode.
Es handelt sich um eine übliche Elektrolysezelle, bei der in einem Behälter eine Elektrolytlösung vorgelegt wird, in die eine oder mehrere Anoden und eine oder mehrere Kathoden getaucht werden. Die Anode(n) und Kathode(n) können in jeder üblichen Weise angeordnet sein. Mittels einer Stromquelle wird an Anode und Kathode eine Spannung angelegt. Die geeignete Spannung und der fließende Strom hängen von den eingesetzten Materialien ab und können vom Fachmann für die ausgewählte Anordnung ohne weiteres in zweckmäßigerweise ausgewählt werden.It is a conventional electrolysis cell, in which an electrolyte solution is presented in a container, in which one or more anodes and one or more cathodes are immersed. The anode (s) and cathode (s) may be arranged in any conventional manner. A voltage is applied to the anode and cathode by means of a current source. The appropriate voltage and current will depend on the materials used and may be readily selected by one skilled in the art for the selected arrangement.
Es gibt geteilte und ungeteilte Elektrolysezellen. Bei geteilten Elektrolysezellen werden Anoden- und Kathodenraum ionendurchlässig getrennt, z.B. durch eine lonenaustauschermembran oder ein Diaphragma. In der Erfindung wird insbesondere eine ungeteilte Elektrolysezelle verwendet.There are divided and undivided electrolysis cells. In divided electrolysis cells, the anode and cathode compartments are separated by ion permeance, e.g. through an ion exchange membrane or a diaphragm. In particular, an undivided electrolytic cell is used in the invention.
Als Elektrolytlösung wird vorzugsweise eine wässrige Lösung von einem oder mehreren Elektrolyten verwendet. In dem Wasser ist ein Elektrolyt enthalten, um für die notwendige Leitfähigkeit der Elektrolytlösung zu sorgen. Die Elektrolytlösung umfasst auch ein Oberflächenmodifizierungsmittel. Die Elektrolytlösung kann ein Oberflächenmodifizierungsmittel und einen Elektrolyten enthalten. In der bevorzugten Ausführungsform dient das Oberflächenmodifizierungsmittel aber gleichzeitig als Elektrolyt in der Elektrolytlösung, so dass kein zusätzlicher Elektrolyt erforderlich ist. Unter Elektrolyt wird hier jeder zugegebene Stoff außer Wasser verstanden, der die für die Leitfähigkeit notwendigen Ionen in der Elektrolytlösung bildet, und schließt das Oberflächenmodifizierungsmittel ein, sofern es zur Leitfähigkeit durch lonenbildung beiträgt. Für die Elektrolyte eignen sich z.B. Säuren, Basen und bevorzugt Salze (Leitsalze), die aber bevorzugt in relativ geringe Mengen zugegeben werden. Die lonenkonzentration in der Elektrolytlösung ist bevorzugt kleiner als 0,4 mol/l. Dementsprechend werden z.B. Leitsalze bevorzugt in einer Konzentration von weniger als 0,2 mol/l eingesetzt. Leitsalze sind in der Elektrolytlösung bevorzugt im wesentlichen zu 100% dissoziiert. Bei Verbindungen, die nicht vollständig dissoziieren, werden entsprechend höhere Konzentrationen verwendet.As the electrolyte solution, an aqueous solution of one or more electrolytes is preferably used. An electrolyte is contained in the water to provide the necessary conductivity of the electrolyte solution. The electrolyte solution also includes a surface modifier. The electrolytic solution may contain a surface modifier and an electrolyte. In the preferred embodiment, however, the surface modification agent simultaneously serves as an electrolyte in the electrolyte solution, so that no additional electrolyte is required. By electrolyte is meant herein any added matter other than water that forms the necessary ions for conductivity in the electrolyte solution, and includes the surface modifier as long as it contributes to conductivity by ion formation. For example, acids, bases and preferably salts (conductive salts) are suitable for the electrolytes, but these are preferably added in relatively small amounts. The ion concentration in the electrolytic solution is preferably less than 0.4 mol / l. Accordingly, for example, conductive salts are preferably used in a concentration of less than 0.2 mol / l. Conducting salts are preferably substantially 100% dissociated in the electrolyte solution. For compounds that do not dissociate completely, correspondingly higher concentrations are used.
Die Elektrolytlösung besitzt bevorzugt eine geringe lonenstärke und damit eine geringe Leitfähigkeit, die vorzugsweise nicht mehr als 30 mS/cm und bevorzugter nicht mehr als 10 mS/cm beträgt. Sie kann z.B. nicht größer als 4 mS/cm sein.The electrolytic solution preferably has a low ionic strength and hence a low conductivity, which is preferably not more than 30 mS / cm and more preferably not more than 10 mS / cm. It can e.g. not larger than 4 mS / cm.
Das in der Elektrolytlösung enthaltene Oberflächenmodifizierungsmittel modifiziert die Oberfläche der sich bildenden Teilchen durch Wechselwirkung mit den Oberflächengruppen. Dadurch können die anodisch gebildeten Primärprodukte (Nanopartikel) ohne Partikelwachstum in situ stabilisiert werden. Die Anlagerung oder Adsorption an die Oberfläche der entstehenden Primärpartikel kann beispielsweise über eine chemische Bindung, wie eine kovalente, koordinative oder ionische Bindung, und/oder polare (Dipol-Dipol-) Wechselwirkung oder van-der- Waals-Kräfte erfolgen. Bevorzugt sind chemische Bindungen. Solche Oberflächenmodifizierungsmittel für nanoskalige Teilchen sind dem Fachmann vertraut.The surface modifier contained in the electrolytic solution modifies the surface of the forming particles by interacting with the surface groups. As a result, the anodically formed primary products (nanoparticles) can be stabilized in situ without particle growth. The addition or adsorption onto the surface of the resulting primary particles can be carried out, for example, via a chemical bond, such as a covalent, coordinative or ionic bond, and / or polar (dipole-dipole) interaction or van der Waals forces. Preferred are chemical bonds. Such surface modifiers for nanoscale particles are familiar to those skilled in the art.
Auf den sich bildenden Teilchen befinden sich Oberflächengruppen oder funktionelle Gruppen, die im allgemeinen relativ reaktionsfähig sind. Beispielsweise befinden sich auf Partikeln von Metallhydroxiden oder Metalloxiden als Oberflächengruppen Restvalenzen, wie Hydroxygruppen und Oxygruppen. Das Oberflächenmodifizierungsmittel besitzt mindestens eine funktionelle Gruppe, dass mit diesen Oberflächengruppen der sich bildenden Teilchen in oben genannter Weise wechselwirken kann.On the forming particles are surface groups or functional groups which are generally relatively reactive. For example, on particles of metal hydroxides or metal oxides as surface groups residual valences, such as hydroxyl groups and oxy groups. The surface modifier has at least one functional group that can interact with these surface groups of the forming particles in the above-mentioned manner.
Die funktionelle Gruppe des Oberflächenmodifizierungsmittels zur Anbindung an die sich bildenden Teilchen richtet sich in erster Linie nach den Oberflächengruppen der Teilchen und nach der gewünschten Wechselwirkung. Beispiele für bevorzugte funktionelle Gruppen sind Carbonsäuregruppen, Carboxylat, Säureamidgruppen (primäre, sekundäre und tertiäre) Aminogruppen oder die entprechenden Salze, Hydroxylgruppen und C-H-acide Gruppierungen, wie in ß-Dicarbonylverbindungen, und -SiOH- oder -SiOR-Gruppen. Es können auch mehrere dieser Gruppen gleichzeitig in einem Molekül vorhanden sein (z.B. Betaine, Aminosäuren, EDTA).The functional group of the surface modifier for attachment to the forming particles depends primarily on the surface groups of the particles and upon the desired interaction. Examples of preferred functional groups are carboxylic acid groups, carboxylate, acid amide groups (primary, secondary and tertiary) amino groups or the corresponding salts, hydroxyl groups and C-H-acidic groups, as in β-dicarbonyl compounds, and -SiOH or -SiOR groups. Also, several of these groups may be present simultaneously in one molecule (e.g., betaines, amino acids, EDTA).
Die Oberflächenmodifizierungsmittel, die bevorzugt organisch sind, werden bevorzugt ausgewählt aus Carbonsäuren oder deren Salzen, Oxacarbonsäuren oder deren Salzen, Hydroxycarbonsäuren und deren Salzen, Aminosäuren und deren Salzen, weiteren Carbonsäurederivaten, z.B. Säureamiden oder Säureanhydriden, Aminen, ß-Dicarbonylverbindungen und hydrolysierbaren Silanen mit mindestens einer nicht hydrolysierbaren Gruppe.The surface modifiers, which are preferably organic, are preferably selected from carboxylic acids or their salts, oxacarboxylic acids or their salts, hydroxycarboxylic acids and their salts, amino acids and their salts, other carboxylic acid derivatives, e.g. Acid amides or acid anhydrides, amines, β-dicarbonyl compounds and hydrolyzable silanes having at least one nonhydrolyzable group.
Bevorzugte sind organische Carbonsäuren oder Carboxylate, wobei die Gruppen COOH oder COO' an Alkyl- oder Arylreste gebunden sind. Als Gegenion für das Carboxylat kommen alle üblichen in Betracht, bevorzugt ist NH4 +. Beispiele für solche Oberflächenmodifizierungsmittel sind gegebenenfalls substituierte (z.B. mit Hydroxy) gesättigte oder ungesättigte Mono- und Polycarbonsäuren (vorzugsweise Mono- carbonsäuren) mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen, wie z.B. Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Pentansäure, Hexansäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Oxalsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Benzoesäure, Phenylessigsäure, Itaconsäure und Stearinsäure, sowie die entsprechenden Derivate, wie Säureanhydride, -Chloride, -ester (vorzugsweise C-ι-C4-Alkylester) und -amide, z.B. Caprolactam. Bei den Hydroxycarbonsäuren kann es sich um Mono-, Di- oder Polyhydroxycarbonsäuren handeln. Beispiele sind Milchsäure, Weinsäure, Citronensäure und andere Fruchtsäuren, Salicylsäure und Gallussäure. Weitere bevorzugte Oberflächenmodifizierungsmittel sind Oxacarbonsäuren mit 1 bis 24 Kohlenstoffatomen. Dabei handelt es sich um Carbonsäuren, die Oxagruppen, also Etherbrücken (-O-), in der Alkylkette enthalten. Die Oxacarbonsäure kann 1 , 2, 3 oder mehr Oxagruppen enthalten. Beispiele sind Methoxyessigsäure, 3,6-Dioxaheptan- säure und 3,6,9-Trioxadecansäure (TODS) und deren Homologe.Preferred are organic carboxylic acids or carboxylates, wherein the groups COOH or COO ' are bonded to alkyl or aryl radicals. Suitable counterions for the carboxylate are all customary, preference being given to NH 4 + . Examples of such surface modifiers are optionally substituted (eg with hydroxy) saturated or unsaturated mono- and polycarboxylic acids (preferably monocarboxylic acids) having 1 to 24 carbon atoms, such as formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, pentanoic acid, hexanoic acid, acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid , Adipic acid, succinic acid, glutaric acid, oxalic acid, maleic acid, fumaric acid, benzoic acid, phenylacetic acid, itaconic acid and stearic acid, and the corresponding derivatives, such as acid anhydrides, chlorides, esters (preferably C 1 -C 4 -alkyl esters) and -amides, for example caprolactam. The hydroxycarboxylic acids may be mono-, di- or polyhydroxycarboxylic acids. Examples are lactic acid, tartaric acid, citric acid and other fruit acids, salicylic acid and gallic acid. Other preferred surface modifiers are oxacarboxylic acids having 1 to 24 carbon atoms. These are carboxylic acids which contain oxa groups, ie ether bridges (-O-), in the alkyl chain. The oxacarboxylic acid may contain 1, 2, 3 or more oxa groups. Examples are methoxyacetic acid, 3,6-dioxaheptanoic acid and 3,6,9-trioxadecanoic acid (TODS) and their homologs.
Geeignet sind auch Aminverbindungen, wie Ammoniumsalze und Mono- oder PoIy- amine. Beispiele für diese Oberflächenmodifikatoren sind quaternäre Ammoniumsalze der Formel NR1R2R3R4+X", worin R1 bis R4 gegebenenfalls voneinander verschiedene aliphatische, aromatische oder cycloaliphatische Gruppen mit vorzugsweise 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 Kohlenstoffatomen darstellen, wie z.B. Alkylgruppen mit 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 und besonders bevorzugt 1 bis 6 Kohlenstoffatomen (z.B. Methyl, Ethyl, n- und i-Propyl, Butyl oder Hexyl), und X" für ein anorganisches oder organisches Anion steht, z.B. Acetat, OH", Cl", Br" oder I"; Mono- und Polyamine, insbesondere solche der allgemeinen Formel R3-0NHn, worin n = 0, 1 oder 2 und die Reste R unabhängig voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 12, insbesondere 1 bis 8 und besonders bevorzugt 1 bis 6 Kohlenstoffatomen darstellen, und Ethylenpolyamine. Konkrete Beispiele sind Methylamin, Dimethylamin. Trimethylamin, Ethylamin, Anilin, N-Methylanilin, Diphenylamin, Triphenylamin, Toluidin, Ethylendiamin und Diethylen- triamin.Also suitable are amine compounds, such as ammonium salts and mono- or polyamines. Examples of these surface modifiers are quaternary ammonium salts of the formula NR 1 R 2 R 3 R 4 + X " , where R 1 to R 4 are optionally different aliphatic, aromatic or cycloaliphatic groups having preferably 1 to 12, especially 1 to 8 carbon atoms, such as for example, alkyl groups having 1 to 12, in particular 1 to 8 and particularly preferably 1 to 6 carbon atoms (eg methyl, ethyl, n- and i-propyl, butyl or hexyl), and X "is an inorganic or organic anion, eg acetate, OH " , Cl " , Br " or I " ; Mono- and polyamines, in particular those of the general formula R 3-0 NH n , where n = 0, 1 or 2 and the radicals R independently of one another represent alkyl groups having 1 to 12, in particular 1 to 8 and particularly preferably 1 to 6 carbon atoms, and ethylene polyamines. Specific examples are methylamine, dimethylamine. Trimethylamine, ethylamine, aniline, N-methylaniline, diphenylamine, triphenylamine, toluidine, ethylenediamine and diethylenetriamine.
Beispiele für ß-Dicarbonylverbindungen sind solche mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen, wie ß-Diketone und ß-Ketocarbonsäuren, und Derivate davon. Beispiele sind 2,4- Hexandion, 3,5-Heptandion, Acetylaceton, Diacetyl, Acetonylaceton Acetessigsäure und Acetessigsäure-CrC4-alkylester (Acetoacetate), wie Acetessigsäureethylester, und Acetoacetamide. Weitere Beispiele für Oberflächenmodifizierungsmittel sind Aminosäuren, wie ß-Alanin, Proteine und Imine.Examples of β-dicarbonyl compounds are those having 4 to 12 carbon atoms, such as β-diketones and β-ketocarboxylic acids, and derivatives thereof. Examples are 2,4-hexanedione, 3,5-heptanedione, acetylacetone, diacetyl, acetonylacetone acetoacetic acid and acetoacetic acid-CrC 4 -alkyl esters (acetoacetates), such as ethyl acetoacetate, and acetoacetamides. Further examples of surface modifiers are amino acids such as β-alanine, proteins and imines.
Zur Oberflächenmodifizierung der Teilchen können auch hydrolysierbare Silane mit mindestens einer nicht hydrolysierbaren Gruppe eingesetzt werden, z.B. Silane der allgemeinen Formel RnSiX(4-n) (I), worin die Reste X gleich oder verschieden sind und hydrolysierbare Gruppen oder Hydroxygruppen bedeuten, die Reste R gleich oder verschieden sind und nicht hydrolysierbare Gruppen darstellen und n 1 , 2 oder 3, bevorzugt 1 oder 2 ist.For surface modification of the particles it is also possible to use hydrolyzable silanes having at least one nonhydrolyzable group, for example silanes of the general formula R n SiX (4-n) (I), where the radicals X are the same or different and are hydrolyzable groups or hydroxy groups Radicals R are the same or are different and are not hydrolyzable groups and n is 1, 2 or 3, preferably 1 or 2.
In der allgemeinen Formel (I) sind die hydrolysierbaren Gruppen X, die gleich oder voneinander verschieden sein können, beispielsweise Wasserstoff oder Halogen (F, Cl, Br oder I), Alkoxy (vorzugsweise Ci-6-Alkoxy, wie z.B. Methoxy, Ethoxy, n-Pro- poxy, i-Propoxy und Butoxy), Aryloxy (vorzugsweise C6-io-Aryloxy, wie z.B. Phenoxy), Acyloxy (vorzugsweise C1-6-Acyloxy, wie z.B. Acetoxy oder Propionyloxy), Alkylcar- bonyl (vorzugsweise C2-7-Alkylcarbonyl, wie z.B. Acetyl), Amino, Monoalkylamino oder Dialkylamino. Bevorzugte hydrolysierbare Reste sind Halogen, Alkoxygruppen und Acyloxygruppen. Besonders bevorzugte hydrolysierbare Reste sind Ci-4- Alkoxygruppen, insbesondere Methoxy und Ethoxy.In the general formula (I), the hydrolysable groups X, which may be the same or different, for example, hydrogen or halogen (F, Cl, Br or I), alkoxy (preferably Ci -6 alkoxy, such as methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propoxy and butoxy), aryloxy (preferably C 6 io aryloxy, such as phenoxy), acyloxy (preferably C1-6 acyloxy, such as acetoxy or propionyloxy), alkylcarboxylic carbonyl (preferably C 2 - 7 alkyl-carbonyl such as acetyl), amino, monoalkylamino or dialkylamino. Preferred hydrolyzable radicals are halogen, alkoxy and acyloxy groups. Particularly preferred hydrolysable radicals are C 1-4 -alkoxy groups, in particular methoxy and ethoxy.
Beispiele für die nicht hydrolysierbaren Reste R, die gleich oder voneinander verschieden sein können, sind Alkyl (z.B. C-Mo-Alkyl, wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, s-Butyl und tert.-Butyl, Pentyl, Hexyl, Octyl oder Cyclohexyl), Alkenyl (z.B. C2-io-Alkenyl, wie Vinyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl und Butenyl), Alkinyl (z.B. C2-io-Alkinyl, wie z.B. Acetylenyl und Propargyl), Aryl (vorzugsweise C6-io-Aryl, wie z.B. Phenyl und Naphthyl) sowie entsprechende Alkylaryle und Arylalkyle. Die Reste R und X können gegebenenfalls einen oder mehrere übliche Substituenten, wie z.B. Halogen oder Alkoxy, aufweisen.Examples of the non-hydrolysable radicals R, which may be the same or different, are alkyl (eg C M o-alkyl, such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, s-butyl and tert-butyl , pentyl, hexyl, octyl or cyclohexyl), alkenyl (for example, C 2- io-alkenyl, such as vinyl, 1-propenyl, 2-propenyl and butenyl), alkynyl (for example, C 2- io alkynyl such as acetylenyl and propargyl) , Aryl (preferably C 6-10 aryl such as phenyl and naphthyl), and corresponding alkylaryls and arylalkyls. The radicals R and X may optionally have one or more customary substituents, such as halogen or alkoxy.
Ferner kann der Rest R eine funktionelle Gruppe aufweisen. Spezielle Beispiele für funktionelle Gruppen sind z.B. die Epoxid-, Hydroxy-, Ether-, Amino-, Monoalkylamino-, Dialkylamino-, gegebenenfalls substituierte Anilino-, Amid-, Carboxy-, Acryl-, Acryloyloxy-, Methacryl-, Methacryloyloxy-, Mercapto-, Cyano-, Alkoxy-, Isocyanato-, Aldehyd-, Alkylcarbonyl-, Säureanhydrid- und Phosphorsäuregruppe. Diese funktionellen Gruppen sind über Alkylen-, Alkenylen- oder Arylen-Brückengruppen, die durch Sauerstoff- oder -NH-Gruppen unterbrochen sein können, an das Siliciumatom gebunden. Die genannten Brückengruppen und gegebenenfalls vorliegende Substituenten, wie bei den Alkylaminogruppen, leiten sich z.B. von den oben bzw. nachstehend genannten Alkyl-, Alkenyl- oder Arylresten ab. Natürlich kann der Rest R auch mehr als eine funktionelle Gruppe aufweisen. Konkrete Beispiele für nicht hydrolysierbare Reste R mit funktionellen Gruppen sind Glycidyloxypropyl, (Meth)- acryloyloxypropyl, Aminopropyl und 3-lsocyanatopropyl.Furthermore, the radical R may have a functional group. Specific examples of functional groups include the epoxide, hydroxy, ether, amino, monoalkylamino, dialkylamino, optionally substituted anilino, amide, carboxy, acrylic, acryloyloxy, methacrylic, methacryloyloxy, mercapto , Cyano, alkoxy, isocyanato, aldehyde, alkylcarbonyl, acid anhydride and phosphoric acid groups. These functional groups are bonded to the silicon atom via alkylene, alkenylene or arylene bridging groups which may be interrupted by oxygen or -NH groups. The abovementioned bridging groups and any substituents present, as in the case of the alkylamino groups, are derived, for example, from the alkyl, alkenyl or aryl radicals mentioned above or below. Of course, the radical R may also have more than one functional group. Concrete examples of not Hydrolyzable R radicals having functional groups are glycidyloxypropyl, (meth) acryloyloxypropyl, aminopropyl and 3-isocyanatopropyl.
Bevorzugt weist das Oberflächenmodifizierungsmittel ein relativ niedriges Molekulargewicht auf. Beispielsweise kann das Molekulargewicht weniger als 1.500, insbesondere unter 1.000 und vorzugsweise unter 500 oder unter 400 oder sogar unter 300 betragen. Dies schließt selbstverständlich ein deutlich höheres Molekulargewicht der Verbindungen nicht aus (z.B. bis zu 2.000 und mehr).Preferably, the surface modifier has a relatively low molecular weight. For example, the molecular weight may be less than 1,500, more preferably less than 1,000, and preferably less than 500, or less than 400 or even less than 300. Of course, this does not preclude a significantly higher molecular weight of the compounds (e.g., up to 2,000 and more).
Eine weitere Gruppe von verwendbaren Oberflächenmodifizierungsmitteln sind Tenside, z.B. kationische, anionische, nicht-ionische und amphotere Tenside. Bevorzugt werden nicht-ionische Tenside, wobei Polyethylenoxid-Derivate besonders bevorzugt sind. Es kann sich dabei z. B. um Derivate mit gesättigten oder ungesättigten (Mono)carbonsäuren handeln, insbesondere mit Carbonsäuren mit mehr als 7, bevorzugt mehr als 11 Kohlenstoffatomen, z. B. Polyethylenoxid-Derivate mit Stearin-, Palmitin- oder Ölsäure, etwa die unter der Marke „Emulsogen" erhältlichen Produkte. Es kann sich auch um Derivate mit Sorbitanestern (Sorbitan + Carbonsäure) handeln, wobei als Carbonsäure beispielsweise die vorstehend genannten in Frage kommen. Diese Produkte sind im Handel unter der Marke „Tween" erhältlich. Weiter können Polyethylenoxid(mono)alkylether, beispielsweise mit Alkoholen mit mehr als 7, bevorzugt mehr als 11 Kohlenstoffatomen verwendet werden, z. B. die unter der Marke „Brij" erhältlichen Produkte.Another group of useful surface modifiers are surfactants, e.g. cationic, anionic, nonionic and amphoteric surfactants. Nonionic surfactants are preferred, with polyethylene oxide derivatives being particularly preferred. It may be z. B. derivatives with saturated or unsaturated (mono) carboxylic acids, in particular with carboxylic acids having more than 7, preferably more than 11 carbon atoms, for. Polyethylene oxide derivatives with stearic, palmitic or oleic acid, such as those available under the trademark "Emulsogen." They may also be derivatives with sorbitan esters (sorbitan + carboxylic acid), such as those mentioned above being suitable as the carboxylic acid These products are commercially available under the trademark "Tween". Further, polyethylene oxide (mono) alkyl ethers, for example, with alcohols having more than 7, preferably more than 11 carbon atoms may be used, for. B. the products available under the brand "Brij".
Besonders bevorzugte Oberflächenmodifizierungsmittel sind die obengenannten Carbonsäuren und Carbonsäurederivate und deren Salze, insbesondere Mono- carbonsäuren und deren Salze und Oxacarbonsäuren und deren Salze. Als Gegenionen für die Salze (Carboxylate) können alle üblichen Kationen verwendet werden, z.B. Na+, K+ oder NH4 +. NH4-Salze sind besonders bevorzugt, da das Ammoniumkation pyrolysierbar ist. Bevorzugte Oberflächenmodifizierungsmittel sind z.B. Essigsäure und 3,6,9-Trioxadecansäure und deren Salze, insbesondere deren Ammoniumsalze. Diese Ammoniumsalze sind pyrolisierbar. Als Oberflächenmodifizierungsmittel und/oder Elektrolyt werden allgemein bevorzugt pyrolisierbare Verbindungen eingesetzt. Diese können bei der Calcinierung entfernt werden. Bei den Salzen wirken die Carboxylate als funktionelle Gruppe zur Anbindung an die Oberfläche der Teilchen.Particularly preferred surface modifiers are the abovementioned carboxylic acids and carboxylic acid derivatives and their salts, in particular monocarboxylic acids and their salts, and oxacarboxylic acids and salts thereof. As counterions for the salts (carboxylates), all customary cations can be used, for example Na + , K + or NH 4 + . NH 4 salts are particularly preferred because the ammonium cation is pyrolyzable. Preferred surface modifiers are, for example, acetic acid and 3,6,9-trioxadecanoic acid and salts thereof, in particular their ammonium salts. These ammonium salts are pyrolyzable. As the surface modifier and / or the electrolyte, it is generally preferred to use pyrolyzable compounds. These can be removed during the calcination. Both Salts, the carboxylates act as a functional group for attachment to the surface of the particles.
Sowohl Carbonsäuren als auch die Salze können als Elektrolyt wirken. Die Carbonsäuren und die Salze unterscheiden sich insbesondere dahingehend, dass sich in der Elektrolytlösung andere pH-Werte ergeben. Wie nachstehend erläutert, kann die Einstellung des pH-Werts für das Verfahren wichtig sein. Bevorzugt ist der Einsatz von Oberflächenmodifizierungsmitteln mit einer Carboxylatgruppe, d.h. Salzen von Carbonsäuren.Both carboxylic acids and the salts can act as an electrolyte. The carboxylic acids and the salts differ in particular in that different pH values result in the electrolyte solution. As explained below, adjusting the pH for the process may be important. It is preferred to use surface modifiers having a carboxylate group, i. Salts of carboxylic acids.
Als Fällungskomponente können alle Moleküle bzw. Anionen verwendet werden, die mit den sich bei der anodischen Auflösung bildenden Metallkationen schwerlösliche Verbindungen bilden. Als Fällungskomponente kommen z.B. Hydrogensulfide, Sulfide, Carbonate oder Phospate in Betracht, z.B. in Form der Ammonium-, Natrium- oder Kaliumsalze. Insbesondere kommen als Fällungskomponente aber Wasser oder Hydroxidionen der wässrigen Elektrolytlösung in Betracht. Wie dem Fachmann bekannt, sind Hydroxidionen in Wasser wegen des Dissoziationsgleichgewichts von Wasser vorhanden, wobei die Konzentration der Hydroxidionen vom pH-Wert der Lösung abhängt.As precipitation component, it is possible to use all molecules or anions which form sparingly soluble compounds with the metal cations forming in the anodic dissolution. As a precipitating component, e.g. Hydrogen sulfides, sulfides, carbonates or phosphates, e.g. in the form of the ammonium, sodium or potassium salts. In particular, however, come as a precipitating component, water or hydroxide ions of the aqueous electrolyte solution into consideration. As known to those skilled in the art, hydroxide ions are present in water because of the dissociation equilibrium of water, the concentration of hydroxide ions depending on the pH of the solution.
Bei dem Verfahren der Erfindung bilden die sich lösenden Metallionen mit der Fällungskomponente, vorzugsweise H2O bzw. OH", schwer lösliche Verbindungen, wodurch sich in der Lösung die festen Teilchen der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon bilden. Diese können als Dispersion in der Lösung vorliegen oder als Präzipitat ausfallen. Wie dem Fachmann bekannt, handelt es sich bei den schwer löslichen Verbindungen um Verbindungen, die sich schlecht in dem jeweiligen Medium, hier der Elektrolytlösung, lösen, so dass sie als Feststoff ausfallen oder eine Dispersion bilden. Im allgemeinen werden z.B. Verbindungen, von denen sich bei 200C nicht mehr als etwa 10 g/l des jeweiligen Lösungsmittels (Elektrolytlösung) im Lösungsmittel lösen, als schwer löslich bezeichnet. Für die vorliegende Erfindung ist es aber bevorzugt, dass die sich bildenden Verbindungen so schwer löslich sind, dass die Konzentration der sich bildenden Metallionen im Elektrolyten sehr gering ist und sogar bevorzugt nahe Null ist, weil diese mit der Fällungskomponente die schwer löslichen Teilchen bilden. Die Konzentration an gelösten Metallionen in der Elektrolytlösung ist bevorzugt kleiner als 10 g/l, besonders bevorzugt kleiner als 1 g/l ist und noch bevorzugter unter 10 mg/l. In den Beispielen ist die Konzentration an gelösten Metallionen kleiner als 2 mg/l.In the process of the invention, the dissolving metal ions with the precipitating component, preferably H 2 O or OH " , form sparingly soluble compounds, thereby forming in the solution the solid particles of the metal compound or a precursor thereof, which may be dispersed in the solution As is known to those skilled in the art, the sparingly soluble compounds are compounds which dissolve poorly in the respective medium, in this case the electrolyte solution, so that they precipitate out as a solid or form a dispersion For example compounds which do not dissolve more than about 10 g / l of the respective solvent (electrolyte solution) in the solvent at 20 ° C. are referred to as sparingly soluble, but it is preferred for the present invention that the compounds which form are sparingly soluble are that the concentration of the forming metal ions in the electrolyte is very low and even preferably close to zero, because this with the precipitating component the form sparingly soluble particles. The concentration of dissolved metal ions in the electrolytic solution is preferably less than 10 g / L, more preferably less than 1 g / L, and even more preferably less than 10 mg / L. In the examples, the concentration of dissolved metal ions is less than 2 mg / l.
Bei den sich bildenden Teilchen der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon kann es sich z.B. um die Metallsulfide, -carbonate oder -phosphate handeln. Vorzugsweise handelt es sich aber um die Oxide und insbesondere um die Hydroxide oder Hydroxidoxide des oder der Metalle. Hierfür wird der pH-Wert der Elektrolytlösung so eingestellt, das die schwer löslichen bzw. unlöslichen Hydroxide oder Hydroxidoxide als Teilchen ausfallen oder eine Dispersion bilden. Die Einstellung des pH-Werts kann zweckmäßigerweise durch die Wahl und die Menge des Elektrolyten und/oder des Oberflächenmodifizierungsmittels eingestellt werden.The forming particles of the metal compound or a precursor thereof may be e.g. to trade the metal sulfides, carbonates or phosphates. Preferably, however, it is the oxides and in particular the hydroxides or hydroxide oxides of the one or more metals. For this purpose, the pH of the electrolyte solution is adjusted so that precipitate the sparingly soluble or insoluble hydroxides or hydroxide oxides as particles or form a dispersion. The pH adjustment may conveniently be adjusted by the choice and amount of electrolyte and / or surface modifier.
Der Fachmann kennt selbstverständlich die pH-Bereiche, die für die Fällung der jeweiligen Metallhydroxide oder -hydroxidoxide erforderlich sind oder kann sie ohne weiteres allgemeinen Lehrbüchern entnehmen. Der pH-Wert der Elektrolytlösung wird insbesondere so eingestellt, dass die Metallverbindung oder die Vorstufe der Zielverbindungen als unlösliche Hydroxide ausfallen und die freie Konzentration der korrespondierenden Metallkationen in der Elektrolytlösung sehr gering (nahe Null) ist.Of course, those skilled in the art will be aware of the pH ranges required for the precipitation of the particular metal hydroxides or hydroxide oxides or may readily refer to general textbooks. In particular, the pH of the electrolyte solution is adjusted such that the metal compound or precursor of the target compounds precipitates as insoluble hydroxides and the free concentration of the corresponding metal cations in the electrolyte solution is very low (near zero).
Falls gewünscht, kann das Verfahren zur Herstellung dieser Hydroxide oder Hydroxidoxide verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die erhaltenen Hydroxide oder Hydroxidoxide als Vorstufe zur Herstellung der entsprechenden Metalloxide verwendet, die daraus ohne weiteres durch Calcinieren gewonnen werden können.If desired, the process can be used to prepare these hydroxides or hydroxide oxides. In a preferred embodiment, the hydroxides or hydroxide oxides obtained are used as precursors for the preparation of the corresponding metal oxides, which can be readily obtained therefrom by calcining.
In der Elektrolytlösung sind Oberflächenmodifizierungsmittel enthalten, die eine hohe Oberflächenadsorptionsneigung an den gebildeten Partikeln haben. Zur Erzielung einer ausreichenden Leitfähigkeit werden der Elektrolytlösung als Elektrolyt bevorzugt Leitsalze aus pyrolysierbaren Ionen zugesetzt, die diese Oberflächenad- sorptionsneigung aufweisen und somit gleichzeitig als Oberflächenmodifizierungsmittel dienen.The electrolyte solution contains surface modifiers having a high surface adsorption tendency on the formed particles. In order to achieve a sufficient conductivity, electrolyte salts are preferably added to the electrolyte solution as conductive salts of pyrolyzable ions which have sorption tendency and thus simultaneously serve as a surface modifier.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren enthält die Elektrolytlösung ein Oberflächenmodifizierungsmittel und im Gegensatz zum Stand der Technik wird der Elektrolyt bevorzugt in geringer Menge verwendet, so dass die lonenstärke bzw. die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung relativ gering ist. Ferner wird die Elektrolytlösung so eingestellt, dass sich bildende Metallkationen gewissermassen in situ abgefangen und ausgefällt werden. Überraschenderweise können dadurch oberflächenreiche, d.h. nanoskalige Metallverbindungen, bevorzugt Metalloxidpartikel (vorzugsweise nach Calcinierung) und insbesondere binäre Mischmetalloxide, in hoher Reinheit in direkter Weise elektrochemisch erhalten werden, ohne dass dabei Abwässer entstehen. Ohne sich an eine Theorie binden zu wollen, wird im folgenden versucht, die Ursachen für diese überraschenden Ergebnisse zu erläutern. Beispielhaft wird dies anhand der Bildung der Hydroxide erläutert, sie gilt aber sinngemäß auch für die Bildung anderer Metallverbindungen.In the method of the present invention, the electrolytic solution contains a surface modifier, and unlike the prior art, the electrolyte is preferably used in a small amount, so that the ionic strength of the electrolytic solution is relatively small. Furthermore, the electrolyte solution is adjusted so that forming metal cations are to a certain extent intercepted and precipitated in situ. Surprisingly, this can result in surface rich, i. nanoscale metal compounds, preferably metal oxide particles (preferably after calcination) and in particular binary mixed metal oxides are obtained in high purity in a direct electrochemical manner, without causing wastewater. Without wishing to be bound by theory, the following is an attempt to explain the causes of these surprising results. This is exemplified by the formation of the hydroxides, but it applies analogously to the formation of other metal compounds.
Das Verfahren stellt die gewünschten Zielprodukte insbesondere über die anodische Auflösung entsprechend legierter Anoden in Elektrolytlösungen mit geringer lonenstärke in Anwesenheit oberflächenmodifizierender Substanzen her. Bei der anodischen Auflösung der korrespondierenden Metalle der Metallverbindungen werden in der Elektrolytlösung Teilchen der schwer löslichen Hydroxide gebildet. Dabei fallen die schwer bzw. unlöslichen Hydroxide unmittelbar in der Nernstschen Diffusionsschicht vor der Anode aus, so dass die freie Konzentration der korrespondierenden Metallkationen in der Elektrolytlösung äußerst gering ist. Da die Elektrolytlösung keine freien Metallkationen oder nur sehr geringe Konzentrationen enthält, wird die Abscheidung von Metallschlamm oder Dendriten auf der Kathode wirksam unterdrückt. Im Unterschied zu anderen Verfahren wird daher ein hochreines Fällungsprodukt erhalten, das frei von Metallschlamm ist.The process produces the desired target products in particular via the anodic dissolution of correspondingly alloyed anodes in electrolyte solutions with low ionic strength in the presence of surface-modifying substances. In the anodic dissolution of the corresponding metals of the metal compounds, particles of the sparingly soluble hydroxides are formed in the electrolyte solution. The heavy or insoluble hydroxides precipitate directly in the Nernst diffusion layer in front of the anode, so that the free concentration of the corresponding metal cations in the electrolyte solution is extremely low. Since the electrolyte solution contains no free metal cations or only very low concentrations, the deposition of metal sludge or dendrites on the cathode is effectively suppressed. In contrast to other methods, therefore, a highly pure precipitate is obtained, which is free of metal sludge.
Das Vorhandensein der Oberflächenmodifizierungsmittel führt dazu, dass die direkt in der Nernstschen Diffusionsschicht der Anode gebildeten unlöslichen Hydroxide in situ mit dem Oberflächenmodifizierungsmittel modifiziert und damit gegenüber einem unkontrollierten Partikelwachstum stabilisiert werden. Die Stabilisierung der Nano- partikel schafft thermodynamisch die Voraussetzung dafür, dass die gebildeten Produkte nicht auf der Oberfläche der Anode adsorbiert bleiben und diese nach kurzer Zeit blockieren.The presence of the surface modifiers results in the insoluble hydroxides formed directly in the Nernst's diffusion layer of the anode being modified in situ with the surface modifier and thus with respect to one uncontrolled particle growth can be stabilized. The stabilization of the nanoparticles thermodynamically creates the prerequisite that the products formed do not remain adsorbed on the surface of the anode and block them after a short time.
Für diese Stabilisierung zwischen den dispergierten Teilchen tritt nach der DLVO- Theorie als repulsive Kraft die elektrostatische Abstoßung zwischen den in der Regel gleichartig geladenen Koagulationspartnern in Erscheinung. Diese Effekte sind aus der Literatur bekannt.For this stabilization between the dispersed particles occurs according to the DLVO theory as a repulsive force, the electrostatic repulsion between the usually similarly charged coagulation partners in appearance. These effects are known from the literature.
Dies resultiert aus dem Potential der elektrischen Doppelschicht zwischen den Solteilchen und der sie umgebenden Elektrolytlösung sowie der Dicke der elektrischen Doppelschicht. Das elektrische Potential an der Kolloidoberfläche ist um so größer, je höher die Oberflächenladungsdichte ist. Die Höhe der Oberflächenladungsdichte von in Wasser dispergierten Oxid- und/oder Hydroxid-Partikeln wird durch den pH festgelegt. Sie ist um so größer, je weiter der pH vom PZC (Ladungsnullpunkt) entfernt ist.This results from the potential of the electric double layer between the sol particles and the surrounding electrolytic solution and the thickness of the electric double layer. The higher the surface charge density, the greater the electrical potential at the colloid surface. The level of surface charge density of water-dispersed oxide and / or hydroxide particles is determined by the pH. It is the greater, the farther the pH is from the PZC (charge zero point).
Innerhalb der Doppelschicht findet mit zunehmender Entfernung von der Kolloidoberfläche ein Potentialabfall statt. Die Dicke der diffusen Doppelschicht wird von der lonenstärke der wässrigen Phase bestimmt. Sie ist um so kleiner, je größer die lonenstärke ist, weil mit steigender lonenstärke die Oberflächenladungen immer besser abgeschirmt werden. Weil die Doppelschicht gewissermaßen die Schutzschicht des Solteilchens gegen die Koagulation darstellt, gilt für die Stabilität der Dispersion: Je größer die lonenstärke innerhalb des Dispersionsmittels ist, je kleiner also die Dicke der Doppelschicht ist, desto größer ist die Koagulationsneigung.Within the bilayer, a potential drop occurs as the distance from the colloid surface increases. The thickness of the diffused bilayer is determined by the ionic strength of the aqueous phase. It is the smaller, the larger the ionic strength, because with increasing ionic strength, the surface charges are always better shielded. Because the bilayer is effectively the protective layer of the sol particle against coagulation, the stability of the dispersion is: the greater the ionic strength within the dispersant, the smaller the thickness of the bilayer, the greater the coagulation tendency.
Als Konsequenz aus den oben angeführten Überlegungen ergibt sich, dass die Konzentration der Elektrolyte, vorzugsweise der oberflächenmodifizierenden Elektrolytzusätze gering zu halten ist, um ein Zusammenbrechen der stabilisierenden Wirkung auf die in der Nernstschen Diffusionsschicht gebildeten Fällungsprodukte infolge hoher lonenstärke zu unterbinden. Eine hohe lonenstärke im Elektrolyten wird demnach zu einer Agglomeration und Koagulation der Partikel und damit zu geringen BET-Oberflächen führen. Dies wird experimentell in den nachfolgenden Beispielen bestätigt.As a consequence of the above considerations, it is found that the concentration of the electrolytes, preferably of the surface-modifying electrolyte additives, is to be kept low in order to prevent a collapse of the stabilizing effect on the precipitation products formed in the Nernst diffusion layer due to high ionic strength. A high ionic strength in the electrolyte thus leads to agglomeration and coagulation of the particles and thus to low BET surface areas. This is confirmed experimentally in the following examples.
Setzt man daher den Elektrolyten, z.B. Ammoniumacetat, nur in geringer Konzentration zu (z.B. max. etwa 0,2 mol/l), so liegt die Leitfähigkeit des Elektrolyten unterhalb der für technische Elektrolysen üblichen Werte. Dieses Vorgehen unterscheidet sich von dem üblichen Vorgehen bei der Optimierung elektrochemischer Prozesse, bei der man im allgemeinen eine hohe Leitfähigkeit anstrebt, um den IR-Abfall der Elektrolytlösung zu minimieren. In der Konsequenz wird bei dem hier besprochenen Verfahrenskonzept mit >10 Volt eine relativ hohe Zellspannung benötigt, deren Auswirkung jedoch wirtschaftlich unbedeutend ist.Therefore, if the electrolyte, e.g. Ammonium acetate, only at a low concentration (e.g., at most about 0.2 mol / l), the conductivity of the electrolyte is below that customary in engineering electrolysis. This approach differs from the usual approach to optimizing electrochemical processes, which generally seeks high conductivity to minimize IR drop of the electrolyte solution. As a consequence, in the case of the method concept of> 10 volts discussed here, a relatively high cell voltage is required, the effect of which is, however, economically insignificant.
Die anodische Auflösung kann bei beliebiger Temperatur durchgeführt werden. Bevorzugt wird bei Umgebungstemperatur (z.B. 23°C) oder leicht erhöhter Temperatur, wie 25 bis 1000C, gearbeitet. Gegebenfalls kann auch bei Temperaturen unter Umgebungstemperatur gearbeitet werden. Bevorzugt sind leicht erhöhte Temperaturen von z.B. 25 bis 800C, wobei besonders bevorzugt bei Temperaturen von ca. 30 bis 650C in der Elektrolysezelle gearbeitet wird. Es wird insbesondere eine ungeteilte Zelle verwendet.The anodic dissolution can be carried out at any temperature. Preference is given to working at ambient temperature (eg 23 ° C) or slightly elevated temperature, such as 25 to 100 0 C. If necessary, it is also possible to work at temperatures below ambient temperature. Preference is given to slightly elevated temperatures of, for example, from 25 to 80 ° C., with particular preference being carried out at temperatures of from about 30 to 65 ° C. in the electrolysis cell. In particular, an undivided cell is used.
Bei der Kathode kann es sich um ein inertes Material wie z.B. Edelstahl handeln. Anode und Kathode bestehen vorzugsweise aus identischem Material, d.h. sowohl Anode als auch Kathode sind aus dem oder den Metallen der Metallverbindung.The cathode may be an inert material, e.g. Stainless steel act. The anode and cathode are preferably made of identical material, i. both anode and cathode are of the metal (s) of the metal compound.
Die gebildeten oberflächenstabilisierten Partikel der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon, insbesondere die Metallhydroxid-Partikel, tragen über die anhaftenden Gruppen (z.B. Acetatgruppen) Oberflächenladungen und beteiligen sich demgemäß am internen (ionischen) Stromfluss in der Zelle. Dies hat zur Folge, dass sich diese amorphen Partikel elektrophoretisch auf der Anode abscheiden und hier einen schleimartigen Überzug bilden (siehe Beispiel 3). Zur Verhinderung einer Deckschichtbildung wird der Stromfluss daher bevorzugt zyklisch umgepolt. Nach dem Umpolen steigt der Stromfluss kurzfristig stark an und die Partikel wandern zur Gegenelektrode. In einer bevorzugten Ausführungsform werden wie erläutert Metallverbindungen mit mindestens zwei Metallen hergestellt, wobei Metallverbindungen, die zwei Metalle umfassen, wie z.B. binäre Metalloxide, besonders bevorzugt sind. Um bei diesen binären Metallverbindungen das gewünschte Atomverhältnis zwischen den Metallen in der Metallverbindung zu erhalten, gibt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mehrere Möglichkeiten. Die nachfolgenden Ausführungen gelten sinngemäß auch für die Herstellung von Metallverbindungen mit drei oder mehr Metallen.The formed surface-stabilized particles of the metal compound or a precursor thereof, in particular the metal hydroxide particles, carry surface charges via the adhering groups (eg acetate groups) and accordingly participate in the internal (ionic) current flow in the cell. This has the consequence that these amorphous particles precipitate electrophoretically on the anode and form a mucilaginous coating (see Example 3). To prevent a cover layer formation, the current flow is therefore preferably reversed cyclically. After the polarity reversal, the current flow increases rapidly in the short term and the particles migrate to the counterelectrode. In a preferred embodiment, as explained, metal compounds having at least two metals are prepared, with metal compounds comprising two metals, such as binary metal oxides, being particularly preferred. In order to obtain the desired atomic ratio between the metals in the metal compound in these binary metal compounds, there are several possibilities in the inventive method. The following explanations apply mutatis mutandis to the production of metal compounds with three or more metals.
Bei dem elektrochemischen Verfahren der Erfindung können zur Herstellung von Metallverbindungen mit zwei Metallen getrennte Anoden aus den jeweiligen Metallen vorgelegt werden. In diesem Fall kann das gewünschte Atomverhältnis der Metalle in der Metallverbindung über das Verhältnis der Anodenströme eingestellt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die beiden Metalle als getrennte Elektroden vorzulegen und periodisch umzupolen, wobei das Atomverhältnis der Metalle in der Metallverbindung über das Verhältnis der Polungsdauer anodisch/kathodisch eingestellt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die beiden Metalle als vorlegierte Anoden vorgelegt werden, wobei das Atomverhältnis der Metalle in der Metallverbindung über das Verhältnis der Metalle in der Legierung der Anode eingestellt wird.In the electrochemical process of the invention, separate anodes of the respective metals may be provided for the preparation of metal compounds having two metals. In this case, the desired atomic ratio of the metals in the metal compound can be adjusted via the ratio of the anode currents. Another possibility is to introduce the two metals as separate electrodes and to periodically umupupolen, wherein the atomic ratio of the metals in the metal compound over the ratio of the poling period is set anodic / cathodic. Another possibility is that the two metals are presented as pre-alloyed anodes, wherein the atomic ratio of the metals in the metal compound is adjusted by the ratio of the metals in the alloy of the anode.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Teilchen der Metallverbindung oder einer Vorstufe davon erhalten. Eine Vorstufe der Metallverbindung sind solche Metallverbindungen, die nicht das gewünschte Zielprodukt sind und durch Calci- nieren in die gewünschte Metallverbindung überführt werden können. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden Teilchen aus bekannten Metallhydroxiden oder Metallhydroxidoxiden, die gegebenenfalls hydratisiert sind, erhalten. Vorzugsweise werden diese Verbindungen als Vorstufen zur Herstellung der gewünschten Zielverbindung, nämlich der entsprechenden Metalloxide, durch Calcinierung verwendet. Die Überführung der Hydroxide in die Metalloxide durch Calcinierung ist dem Fachmann wohlbekannt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden oberflächenmodifizierte Teilchen der Metallverbindungen oder einer Vorstufe davon gebildet, die häufig amorph sind. Diese liegen in der Elektrolytlösung als Dispersion vor oder fallen insbesondere als Präzipitat aus. Bevorzugt werden die Teilchen durch übliche Trenntechniken (z.B. Sedimentation, Zentrifugieren und/oder Filtration/Sieben) von der Elektrolytlösung abgetrennt und getrocknet. Nach dem Trocknungsvorgang verbleibt das Oberflächenmodifizierungsmittel in der Regel auf der Oberfläche der Teilchen, es kann aber auch entfernt worden sein. Sofern die erhaltenen Teilchen nicht die gewünschte Zielverbindung sind, können sie durch Calcinieren in diese überführt werden.In the process according to the invention, particles of the metal compound or a precursor thereof are obtained. A precursor of the metal compound are those metal compounds which are not the desired target product and can be converted by calcination into the desired metal compound. In the preferred embodiment, particles of known metal hydroxides or metal hydroxide oxides, optionally hydrated, are obtained. Preferably, these compounds are used as precursors for the preparation of the desired target compound, namely the corresponding metal oxides, by calcination. The conversion of the hydroxides into the metal oxides by calcination is well known to those skilled in the art. In the process of the invention, surface-modified particles of the metal compounds or a precursor thereof are formed, which are often amorphous. These are present in the electrolyte solution as a dispersion or precipitate in particular as a precipitate. The particles are preferably separated off from the electrolyte solution by customary separation techniques (eg sedimentation, centrifuging and / or filtration / sieving) and dried. After the drying process, the surface modifier usually remains on the surface of the particles, but it may also be removed. If the resulting particles are not the desired target compound, they can be converted into them by calcination.
Dem Fachmann ist die Technik der Calcinierung wohlbekannt. Dabei wird ein Stoff einer Wärmebehandlung unterworfen, wobei eine Umwandlungsreaktion stattfindet. Dies kann z.B. die Entfernung von Hydratwasser, die teilweise oder vollständige Kristallisation, die Umwandlung in eine andere Modifikation (z.B eine andere Kristallform) oder eine Zersetzungsreaktion sein. Die Calcinierung kann gegebenenfalls in einer inerten, einer oxidierenden und/oder bevorzugt einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden. Eine Reduktion oder Oxidation kann auch nach einer Calcinierung durchgeführt werden. Mit Hilfe der reduzierenden oder oxidierenden Atmosphäre können z.B. die Oxidationsstufen der Metalle nach Bedarf eingestellt werden. Geeignete Temperaturen für die Calcinierung hängen vom Ausgangsmaterial und der gewünschten Umwandlung ab und sind dem Fachmann geläufig. Häufig werden Temperaturen über 100, über 150 oder über 2000C oder auch über 2500C eingesetzt. Die Calcinierung der Indium-Zinn-Oxid/Hydroxide zu ITO ist bekannt und kann beispielsweise bei Temperaturen zwischen 200 und 4500C durchgeführt werden, vorzugsweise zumindest teilweise in reduzierender Atmosphäre. Weitere Einzelheiten zur Calcinierung von ITO und den Eigenschaften von ITO sind z.B. in der WO 00/14017 beschrieben.The person skilled in the art is well aware of the calcination technique. In this case, a substance is subjected to a heat treatment, wherein a conversion reaction takes place. This may be, for example, the removal of water of hydration, the partial or complete crystallization, the conversion to another modification (eg another crystal form) or a decomposition reaction. The calcination may optionally be carried out in an inert, an oxidizing and / or preferably a reducing atmosphere. A reduction or oxidation can also be carried out after a calcination. With the help of the reducing or oxidizing atmosphere, for example, the oxidation states of the metals can be adjusted as needed. Suitable temperatures for the calcination depend on the starting material and the desired conversion and are familiar to the person skilled in the art. Frequently, temperatures above 100, above 150 or above 200 ° C. or even above 250 ° C. are used. The calcination of the indium tin oxide / hydroxides to ITO is known and can be carried out, for example, at temperatures between 200 and 450 0 C, preferably at least partially in a reducing atmosphere. Further details on the calcination of ITO and the properties of ITO are described, for example, in WO 00/14017.
Die erhaltenen Teilchen werden bevorzugt einer Calcinierung unterworfen. In der bevorzugten Ausführungsform werden dabei die erhaltenen gegebenenfalls hydrati- sierten Hydroxid- oder Oxidhydroxid-Partikel in die entsprechenden Metalloxid- Partikel überführt. In der Regel werden bei der Calcinierung auch die auf der Oberfläche befindlichen Oberflächenmodifizierungsmittel zersetzt oder pyrolisiert, so dass nicht oberflächenmodifizierte Teilchen nach der Calcinierung erhalten werden.The obtained particles are preferably subjected to calcination. In the preferred embodiment, the resulting optionally hydrated hydroxide or oxide hydroxide particles are converted into the corresponding metal oxide Particles transferred. Typically, calcination also decomposes or pyrolyzes the surface modifiers on the surface so that non-surface modified particles are obtained after calcination.
Da bei der Elektrolyse die Oberflächenmodifizierung gleich mit aufgebracht wird, ist die BET-Oberfläche der Partikel sehr hoch und bleibt auch beim nachfolgenden Calcinieren erhalten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher unerwarteterweise nanoskalige Metallverbindungen erhalten werden, insbesondere Teilchen mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 100 nm und sogar deutlich darunter, z.B. nicht mehr als 50 nm. Die bei 4000C calcinierten Produkte zeigen z.B. mit 80 bis 150 m2/g BET-Oberfläche (Stickstoff) eine deutlich höhere Oberfläche als vergleichbare Partikel nach den bisher bekannten Verfahren. TEM-Aufnahmen belegen, dass die Teilchengröße der in den Beispielen hergestellten Partikel sogar bei 5 bis 10 nm liegt.Since the surface modification is applied in the electrolysis with the same, the BET surface area of the particles is very high and is retained even during subsequent calcination. Nanoscale metal compounds can therefore unexpectedly be obtained by the process according to the invention, in particular particles having a particle size of not more than 100 nm and even significantly less, eg not more than 50 nm. The products calcined at 400 ° C. show, for example, 80 to 150 m 2 / g BET surface (nitrogen) a significantly higher surface than comparable particles according to the previously known methods. TEM images show that the particle size of the particles produced in the examples is even at 5 to 10 nm.
Die Elektrolyse kann chargenweise oder bevorzugt kontinuierlich durchgeführt werden. In Fig. 1 ist ein Beispiel für eine Anordnung angegeben. Dabei ist 1 eine ungeteilte Elektrolysezelle mit einem Zulauf und einem Ablauf. Der Elektrolytvorlagen- und Absetzbehälter 4 enthält die Elektrolytlösung. Die Elektrolytlösung wird über die Pumpe 2 in den Zulauf der Elektrolysezelle 1 geleitet, wobei sie mittels eines Wärmeüberträgers auf die gewünschte Temperatur gebracht wird. Aus dem Ablauf der Elektrolysezelle 1 fließt die Elektrolytlösung, die durch die Elektrolyse mit den hergestellten Teilchen beladen ist, wieder in den Behälter 4, in dem die Teilchen als Präzipitat ausfallen. Auf diese Weise wird die Elektrolytlösung der Zelle 1 über das Absetzgefäß 4 im Kreislauf gepumpt. Bei geeigneter Strömungsführung setzen sich die gebildeten amorphen Fällungsprodukte in einfacher Weise am Boden des Puffergefäßes ab (Hydro-Zyklonprinzip) und können damit kontinuierlich aus dem Kreislauf entfernt werden. Frische Elektrolytlösung oder Nachfüllbestandteile können an beliebiger Stelle eingebracht werden, z.B. in den Behälter 4.The electrolysis can be carried out batchwise or preferably continuously. In Fig. 1, an example of an arrangement is given. 1 is an undivided electrolytic cell with an inlet and a drain. The electrolyte reservoir and settling tank 4 contains the electrolyte solution. The electrolyte solution is passed through the pump 2 in the inlet of the electrolytic cell 1, wherein it is brought by means of a heat exchanger to the desired temperature. From the drain of the electrolytic cell 1, the electrolyte solution, which is charged by the electrolysis with the produced particles, flows back into the container 4, in which precipitate the particles. In this way, the electrolyte solution of the cell 1 is pumped via the settling vessel 4 in the circuit. With suitable flow guidance, the formed amorphous precipitation products settle in a simple manner at the bottom of the buffer vessel (hydro-cyclone principle) and can thus be continuously removed from the circulation. Fresh electrolyte solution or replenishers may be introduced at any location, e.g. in the container 4.
Bei dem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Metalle, z.B. Indium- und Zinnmetall, getrennt oder als Legierung als Anode geschaltet. Sie können auch als Kathode eingesetzt werden oder es wird eine inerte Kathode verwendet. In der bevorzugt ungeteilten Elektrolysezelle, die die Elektrolytlösung umfasst, erfolgt dann die anodische Auflösung des oder der Metalle. Die sich bildenden oberflächenmodifizierten Teilchen, die häufig amorph sind, werden chargenweise oder bevorzugt kontinuierlich z.B. als Präzipitat mechanisch abgetrennt. Die abgetrennte Elektrolytlösung wird gegebenenfalls nach Auffüllung in die Elektrolysezelle rückgeführt. Das Präzipitat wird getrocknet und vorzugsweise anschließend calciniert, bevorzugt in oxidierender und/oder reduzierender Atmosphäre, um das gewünschte Produkt, z.B. ein Metalloxid, insbesondere ein ITO-Pulver, zu erhalten.In the preferred method according to the invention, the metals, for example indium and tin metal, are separated or connected as an alloy as an anode. They can also be used as a cathode or it becomes an inert cathode used. In the preferably undivided electrolysis cell comprising the electrolyte solution, the anodic dissolution of the one or more metals then takes place. The forming surface-modified particles, which are often amorphous, are mechanically separated batchwise or preferably continuously, for example as a precipitate. The separated electrolyte solution is optionally recycled after filling in the electrolysis cell. The precipitate is dried and then preferably calcined, preferably in an oxidizing and / or reducing atmosphere, to obtain the desired product, eg a metal oxide, in particular an ITO powder.
Eine geteilte Elektrolysezelle wirkt sich negativ auf das Zellpotential aus und benötigt zudem einen erhöhten konstruktiven Aufwand. Der Vergleich der in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Verfahren zeigt die Nachteile der geteilten Zelle. Die Stromdichte geht dort bei Einsatz einer Anionentauschermembran unter sonst gleichen Bedingungen um mehr als eine Größenordnung zurück. Eine Umpolung der geteilten Zelle ist nicht möglich, wenn Kathoden- und Anodenraum getrennt bleiben müssen. Es ergibt sich die Schichtbildung auf der Anode mit den Folgen der Verunreinigung des Produkts durch grobpartikuläre Ablösungen und Passivierung der Anode. Daraus folgt ein Abfall des Stroms bzw. Anstieg des Zellpotentials. Daher sind ungeteilte Elektrolysezellen bevorzugt.A divided electrolysis cell has a negative effect on the cell potential and also requires an increased design effort. The comparison of the methods described in Examples 1 and 2 shows the disadvantages of the divided cell. The current density goes back there when using an anion exchange membrane under otherwise the same conditions by more than an order of magnitude. A reversed polarity of the divided cell is not possible if the cathode and anode compartment must remain separate. This results in the formation of layers on the anode with the consequences of contamination of the product by coarse particulate detachments and passivation of the anode. This results in a decrease in the current or increase in the cell potential. Therefore, undivided electrolysis cells are preferred.
Die gefertigten Partikel werden u.a. zur Erzeugung transparenter leitfähiger Filme (Displays und EMI-Anwendungen) sowie zur Modifizierung des Brechungsindexes in Filmen verwendet.The manufactured particles are u.a. used to produce transparent conductive films (displays and EMI applications) as well as refractive index modification in films.
Die Erfindung wird durch folgende Beispiele näher erläutert, ohne sie zu beschränken.The invention is explained in more detail by the following examples, without limiting them.
Beispiel 1 : (Vergleich) Versuch mit organischer Säure in ungeteilter ZelleExample 1: (Comparison) Experiment with organic acid in undivided cell
In einer 5 g/l Essigsäure enthaltenden wässrigen Lösung wurde eine legierte In-Sn- Anode mit einem Zinn-Anteil von 7 Gew.-% und einer Fläche von 3 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Hierzu wurde an die Anode und einer Kathode aus Edelstahl eine Spannung von 40 V angelegt. Der resultierende Strom betrug ca. 100 mA, was einer Stromdichte von ca. 30 mA/cm2 entspricht. Die Elektrolysezelle bestand aus einem ungeteilten, gerührten Gefäß. Der pH-Wert der Lösung lag bei 3. Nach 60 Minuten Versuchsdauer waren deutlich metallisches Dendritenwachstum an der Kathode sowie eine graue Trübung der Lösung durch metallische Partikel, welche sich von der Kathode abgelöst hatten, zu erkennen.In an aqueous solution containing 5 g / l of acetic acid, an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 3 cm 2 was electrolytically dissolved. For this purpose, a voltage of 40 V was applied to the anode and a cathode made of stainless steel. The resulting current was about 100 mA, which was one Current density of about 30 mA / cm 2 corresponds. The electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 3. After 60 minutes of the test, a clear metallic dendrite growth at the cathode as well as a gray turbidity of the solution due to metallic particles which had separated from the cathode could be recognized.
Beispiel 2: (Vergleich) Versuch mit organischer Säure in geteilter ZelleExample 2: (Comparison) Experiment with organic acid in a divided cell
In einer 5 g/l Essigsäure enthaltenden wässrigen Lösung (pH 3) wurde eine legierte In-Sn-Anode mit einem Zinn-Anteil von 7 Gew.-% und einer Fläche von 47 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Die Elektrolysezelle war durch eine Anionentauscher- membran (Dicke ca. 60 μm, Typ fumasep FAP) in Anoden- und Kathodenraum geteilt. Zwischen der Anode und der Edelstahlkathode wurde eine Spannung von 40 V angelegt. Der resultierende Strom betrug anfänglich 160 mA und fiel über die Versuchsdauer von 100 min auf ca. 70 mA ab. Im Mittel entspricht dies einer Stromdichte von 2 mA/cm2. Die Lösung im Anodenraum blieb klar, Dendritenwachstum an der Kathode blieb aus. Jedoch lag die Stromdichte trotz der hohen Zellspannung von 40 V noch deutlich unter der eines technisch relevanten Verfahrens.In an aqueous solution (pH 3) containing 5 g / l of acetic acid, an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7 wt% and an area of 47 cm 2 was electrolytically dissolved. The electrolysis cell was divided by an anion exchange membrane (thickness about 60 μm, type fumasep FAP) into the anode and cathode compartments. A voltage of 40 V was applied between the anode and the stainless steel cathode. The resulting current was initially 160 mA and dropped over the test period from 100 min to about 70 mA. On average, this corresponds to a current density of 2 mA / cm 2 . The solution in the anode compartment remained clear, dendrite growth at the cathode remained off. However, despite the high cell voltage of 40 V, the current density was still significantly below that of a technically relevant method.
Beispiel 3: Versuch mit neutralem Leitsalz in ungeteilter ZelleExample 3 Experiment with Neutral Conducting Salt in Undivided Cell
In einer 0,375 g/l Ammoniumacetat enthaltenden wässrigen Lösung wurde eine legierte In-Sn-Anode mit einem Zinn-Anteil von 7 Gew.-% und einer Fläche von 40 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Hierzu wurde zwischen der beschriebenen Anode und der Kathode (Edelstahlkathode) eine Spannung von 40 V angelegt. Der resultierende Strom betrug anfänglich ca. 1.000 mA und entsprach damit einer Stromdichte von ca. 25 mA/cm2. Die Elektrolysezelle bestand aus einem ungeteilten, gerührten Gefäß. Der pH-Wert der Lösung lag bei 7, die Temperatur bei 500C. Nach etwa einer halben Stunde Versuchsdauer wurde das Aufwachsen einer grauen, mechanisch leicht abzulösenden Schicht auf der Anode beobachtet. Gleichzeitig fiel der Strom auf etwa den halben Anfangswert ab. Die Leitfähigkeit war zu Beginn 0,7 mS/cm und sank im Laufe des Versuchs auf 0,3 mS/cm ab. Beispiel 4: Versuch mit neutralem Leitsalz in ungeteilter Zelle und Wechsel der PolaritätIn an aqueous solution containing 0.375 g / L of ammonium acetate, an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 40 cm 2 was electrolytically dissolved. For this purpose, a voltage of 40 V was applied between the described anode and the cathode (stainless steel cathode). The resulting current was initially about 1,000 mA and thus corresponded to a current density of about 25 mA / cm 2 . The electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 7, the temperature at 50 0 C. After about half an hour of experimentation, the growth of a gray, mechanically easily peelable layer was observed on the anode. At the same time, the current dropped to about half the initial value. The conductivity was 0.7 mS / cm at the beginning and dropped to 0.3 mS / cm in the course of the experiment. Example 4 Experiment with neutral conducting salt in undivided cell and change of polarity
In einer 0,75 g/l Ammoniumacetat enthaltenden wässrigen Lösung wurden zwei identische legierte In-Sn-Plattenelektroden mit einem Zinnanteil von 5 Gew.-% elektrolytisch aufgelöst. Die Leitfähigkeit der Lösung war vergleichsweise gering und betrug 1 mS/cm bei 35°C bei einem pH-Wert von 7. Bei einer angelegten Spannung von 40 V wurde die Polarität der Zelle alle 2 min umgekehrt. Die Elektrodenfläche betrug 125 cm2 und der mittlere fließende Strom 2,2 A bei einem Elektrodenabstand von 18 mm. Der konstruktive Aufbau des Versuchs ist in Fig. 1 dargestellt. Der Elektrolyt wurde kontinuierlich umgepumpt und das elektrolytisch gebildete Primärprodukt wurde in einem als Hydrozyklon ausgeführten Absetzbehälter abgetrennt. Die Temperatur des Elektrolysebades wurde über einen Wärmetauscher konstant gehalten. Die Leitfähigkeit blieb über die Versuchsdauer konstant.In an aqueous solution containing 0.75 g / l of ammonium acetate, two identical In-Sn alloy plate electrodes having a tin content of 5% by weight were electrolytically dissolved. The conductivity of the solution was comparatively low and was 1 mS / cm at 35 ° C at a pH of 7. At an applied voltage of 40 V, the polarity of the cell was reversed every 2 minutes. The electrode area was 125 cm 2 and the mean flowing current 2.2 A with an electrode spacing of 18 mm. The structural design of the experiment is shown in Fig. 1. The electrolyte was pumped continuously and the electrolytically formed primary product was separated in a settling vessel designed as a hydrocyclone. The temperature of the electrolysis bath was kept constant via a heat exchanger. The conductivity remained constant over the duration of the experiment.
Nach einer Versuchsdauer von 5,5 h (Q= 12,6 Ah) wurde die Anlage abgestellt. Die im Kreislauf der Zelle befindliche Elektrolytlösung wurde in den Absetzbehälter abgelassen. Nach ca. 5 Minuten war die überstehende Lösung klar und visuell feststofffrei. In der abdekantierten Elektrolytlösung wurde analytisch nur eine sehr geringe Konzentrationen von Indium- und Zinn-Ionen gefunden (1 ,2 mg/l In sowie 0,04 mg/l Sn).After a test period of 5.5 hours (Q = 12.6 Ah), the system was shut down. The electrolyte solution in the circulation of the cell was drained into the settling tank. After about 5 minutes the supernatant solution was clear and visually solids free. In the decanted electrolyte solution, only a very low concentration of indium and tin ions was found analytically (1.2 mg / l In and 0.04 mg / l Sn).
Das durch Dekantieren abgetrennte, schneeweiße, flockige Primärprodukt wurde dem Absetzbehälter entnommen und bei einer Temperatur von 950C getrocknet. Der erhaltene weiße Feststoff wurde anschließend bei 4000C für 2 h calciniert. Die BET Analyse des so erhaltenen gelben ITO-Pulvers ergab eine spezifische Oberfläche von 107 m2/g. Die chemische Analyse des ITO- Pulvers (mit ICP-AES) zeigte, dass der Zinn-Gehalt des Pulvers mit 4,8 Gew.-% im Rahmen der Messgenauigkeit dem der eingesetzten Elektroden entsprach. Offensichtlich werden bei der anodischen Auflösung der vorlegierten Elektrode die beiden Metalle im dort vorliegenden Verhältnis herausgelöst und in das sich unmittelbar in der Phasengrenze vor der Elektrode bildende Primärprodukt eingebaut. Die kristallographische Analyse des kalzinierten Feststoffes mittels XRD ergab eine Kristallstruktur vom Bixbyit-Typ. Die Stromausbeute lag bei 95% bezogen auf die anodisch gebildeten Metallkationen (In3+ + Sn4+).The separated by decantation, snow-white, flaky primary product was removed from the settling tank and dried at a temperature of 95 0 C. The resulting white solid was then calcined at 400 ° C. for 2 hours. BET analysis of the yellow ITO powder thus obtained revealed a specific surface area of 107 m 2 / g. The chemical analysis of the ITO powder (with ICP-AES) showed that the tin content of the powder at 4.8% by weight within the measurement accuracy corresponded to that of the electrodes used. Obviously, in the case of the anodic dissolution of the prealloyed electrode, the two metals are dissolved out in the ratio present there and incorporated into the primary product which forms directly in the phase boundary in front of the electrode. Crystallographic analysis of the calcined solid by XRD revealed a bixbyite-type crystal structure. The current efficiency was 95% based on the anodically formed metal cations (In 3+ + Sn 4+ ).
Beispiel 5: (Vergleich) Versuch mit alkalischem Elektrolyten in ungeteilter ZelleExample 5: (Comparison) Experiment with alkaline electrolyte in undivided cell
In einer 50 g/l Ammoniumhydroxid enthaltenden wässrigen Lösung wurde eine legierte In-Sn-Anode mit einem Zinn-Anteil von 7 Gew.-% und einer Fläche von 3 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Hierzu wurde zwischen die beschriebene Anode und die verwendete Edelstahl-Kathode eine Spannung von 40 V angelegt. Der anfänglich gemessene Strom von 400 mA brach nach wenigen Minuten auf wenige μA zusammen. Dieser Stromabfall war begleitet von einer Schwärzung der Anodenoberfläche. Eine Partikelbildung in der Lösung wurde nicht beobachtet.In an aqueous solution containing 50 g / l of ammonium hydroxide, an In-Sn alloy alloy having a tin content of 7% by weight and an area of 3 cm 2 was electrolytically dissolved. For this purpose, a voltage of 40 V was applied between the described anode and the stainless steel cathode used. The initially measured current of 400 mA collapsed after a few minutes to a few μA. This current drop was accompanied by a blackening of the anode surface. Particulate formation in the solution was not observed.
Beispiel 6:Example 6:
In wässrigen Lösungen, die 2 bzw. 5 und 8 g/l Ammoniumacetat enthielten, wurden zwei identische legierte In-Sn-Plattenelektroden, mit einem Zinnanteil von 5 Gew.%, elektrolytisch aufgelöst. Der pH-Wert lag bei 7. Bei einer angelegten Spannung von 40 V wurde die Polarität der Zelle alle 2 min umgekehrt. Die Elektrodenfläche betrug 25 cm2 bei einem Elektrodenabstand von 18 mm. Der experimentelle Aufbau entsprach dem von Beispiel 4. Die Leitfähigkeiten der Lösungen betrugen 4,5 bzw. 6,6 und 11 mS/cm und die sich einstellenden mittleren Stromdichten 120, 270 und 370 mA/cm2. Die nach dem Calcinieren erhaltenen ITO Pulver besaßen spezifische Oberflächen von ca. 100 m2/g, wichen jedoch zum Teil qualitativ von den in Beispiel 4 erhaltenen ab. Es zeigte sich, dass die Farbe der Pulver bei hohen Ammonium- acetat-Konzentrationen von der in Beispiel 4 erhaltenen gelben Farbe abweicht und ein Übergang zu gräulichen Ockerfärbung auftritt.In aqueous solutions containing 2 and 5 and 8 g / L of ammonium acetate, respectively, two identical In-Sn alloyed plate electrodes, with a 5 wt.% Tin content, were electrolytically dissolved. The pH was 7. At an applied voltage of 40 V, the polarity of the cell was reversed every 2 minutes. The electrode area was 25 cm 2 with an electrode spacing of 18 mm. The experimental setup was similar to that of Example 4. The conductivities of the solutions were 4.5, 6.6 and 11 mS / cm and the resulting average current densities 120, 270 and 370 mA / cm 2 . The ITO powders obtained after calcination had specific surface areas of about 100 m 2 / g, but differed in part qualitatively from those obtained in example 4. It was found that the color of the powders at high ammonium acetate concentrations deviates from the yellow color obtained in Example 4 and a transition to greyish ocher dyeing occurs.
Beispiel 7:Example 7:
Es wurde wie in Beispiel 4 gearbeitet, jedoch mit verringerter Stromdichte. In einer wässrigen Lösung, die 4 g/l Ammoniumacetat enthielt, wurden zwei identische legierte In-Sn-Plattenelektroden mit einem Zinnanteil von 5 Gew.-% elektrolytisch aufgelöst. Der pH-Wert lag bei 7. Bei einer angelegten Spannung von 15 V wurde die Polarität der Zelle alle 2 min umgekehrt. Die Elektrodenfläche betrug 125 cm2 bei einem Elektrodenabstand von 18 mm. Der experimentelle Aufbau entsprach dem von Beispiel 4. Die Leitfähigkeit der Lösungen betrug 4 mS/cm und die sich einstellenden mittlere Stromdichten 24 imA/cm2. Das nach dem Calcinieren erhaltene ITO Pulver besaß eine spezifische BET-Oberflächen von 141 m2/g. Die Farbe des Pulvers war ockerfarben mit grauem Grundton.The procedure was as in Example 4, but with reduced current density. In an aqueous solution containing 4 g / L of ammonium acetate, two identical In-Sn alloy plate electrodes having a tin content of 5% by weight were electrolytically dissolved. The pH was 7. At an applied voltage of 15V the polarity of the cell is reversed every 2 minutes. The electrode area was 125 cm 2 with an electrode spacing of 18 mm. The experimental setup was the same as in Example 4. The conductivity of the solutions was 4 mS / cm and the resulting average current densities were 24 imA / cm 2 . The ITO powder obtained after calcination had a BET specific surface area of 141 m 2 / g. The color of the powder was ocher with a gray background.
Beispiel 8: Reduktion des nach Beispiel 4 erhaltenen ProduktsExample 8: Reduction of the product obtained according to Example 4
Das nach Beipiel 4 gewonnene calcinierte Produkt wurde bei 210°C im Wasserstoffstrom (2 l/min) reduziert. Die Farbe des Festoffes änderte sich dabei innerhalb von 15 min von gelb über grün nach grün/blau. Dies entspricht der bekannten Reduktionsreaktion des dotierten ITO bei der im Feststoff freie Elektronen generiert werden. Ein aus der konventionellen Fällung über InCb mit anschließender Waschung und Calcinierung gewonnenes Vergleichsprodukt zeigt unter diesen Bedingungen keinerlei Farbumschlag. Dessen Reduktion begann erst bei 25O0C und benötigte damit eine um 4O0C höhere Reduktionstemperatur. Dies belegt, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Einbau des Sn4+ offensichtlich sehr homogen im Bixbyitgitter erfolgt.The calcined product obtained according to Example 4 was reduced at 210 ° C in a stream of hydrogen (2 l / min). The color of the Festoffes changed within 15 min from yellow to green to green / blue. This corresponds to the known reduction reaction of the doped ITO in which free electrons are generated in the solid. A comparison product obtained from the conventional precipitation via InCb with subsequent washing and calcining shows no color change under these conditions. Its reduction started only at 25O 0 C and thus needed a 4O 0 C higher reduction temperature. This demonstrates that in the process according to the invention the incorporation of the Sn 4+ obviously takes place very homogeneously in the bixbyite lattice.
Beispiel 9: ATO, Versuch mit neutralem Leitsalz in ungeteilter ZelleExample 9: ATO, experiment with neutral conducting salt in undivided cell
In Analogie zu Beispiel 3 wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Antimon-dotiertes Zinnoxid hergestellt.In analogy to Example 3, an antimony-doped tin oxide was prepared by the novel process.
In einer 0,75 g/l Ammoniumacetat enthaltenden wässrigen Lösung wurde eine legierte Sb-Sn-Anode mit einem Antimon-Anteil von 5 Gew.-% und einer Fläche von 40 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Hierzu wurde zwischen der beschriebenen Anode und einer Kathode aus Edelstahl eine Spannung von 40 V angelegt. Der resultierende Strom betrug anfänglich ca. 1.230 mA, was einer Stromdichte von ca. 30 mA/cm2 entsprach. Die Elektrolysezelle bestand aus einem ungeteilten, gerührten Gefäß. Der pH-Wert der Lösung lag bei 7, die Temperatur bei 600C. In der Elektrolytlösung bildete sich ein graues flockiger Primärprodukt, das nach dem Trocknen und Calcinieren als ockerfarbener Feststoff vorlag. Die BET-Oberfläche des calciniertes Produkts lag bei 100 mm2/g. Die kristallographische Analyse des calcinierten Feststoffs mittels XRD ergab eine Kristallstruktur vom Cassiterit-Typ, wie für ATO erwartet.In an aqueous solution containing 0.75 g / l of ammonium acetate, an alloyed Sb-Sn anode having an antimony content of 5 wt% and an area of 40 cm 2 was electrolytically dissolved. For this purpose, a voltage of 40 V was applied between the described anode and a cathode made of stainless steel. The resulting current was initially about 1,230 mA, which corresponded to a current density of about 30 mA / cm 2 . The electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 7, the temperature at 60 0 C. The electrolyte solution formed a gray, flaky primary product which, after drying and calcination, was an ocher-colored solid. The BET surface area of the calcined product was 100 mm 2 / g. Crystallographic analysis of the calcined solid by XRD revealed a cassiterite-type crystal structure as expected for ATO.
Beispiel 10: ATOExample 10: ATO
In einer 0,75 g/l Ammoniumacetat enthaltenden wässrigen Lösung wurden zwei identische legierte Antimon-Zinn-Plattenelektroden mit einem Antimonanteil von 5 Gew.-%, elektrolytisch aufgelöst. Die Leitfähigkeit der Lösung war vergleichsweise gering und betrug 1 mS/cm bei 35°C und einem pH-Wert von 7. Bei einer angelegten Spannung von 40 V wurde die Polarität der Zelle alle 2 min umgekehrt. Die Elektrodenfläche betrug 125 cm2 und der mittlere fließende Strom 3,4 A bei einem Elektrodenabstand von 18 mm. Der konstruktive Aufbau des Versuchs ist in Fig. 1 dargestellt. Der Elektrolyt wurde kontinuierlich umgepumpt und das elektrolytisch gebildete Primärprodukt in einem als Hydrozyklon ausgeführten Absetzbehälter abgetrennt. Die Temperatur des Elektrolysebades wurde über einen Wärmetauscher konstant gehalten. Die Leitfähigkeit blieb konstant.In an aqueous solution containing 0.75 g / l of ammonium acetate, two identical antimony tin alloy plate electrodes having an antimony content of 5% by weight were electrolytically dissolved. The conductivity of the solution was comparatively low and was 1 mS / cm at 35 ° C and a pH of 7. At an applied voltage of 40 V, the polarity of the cell was reversed every 2 minutes. The electrode area was 125 cm 2 and the mean flowing current 3.4 A with an electrode spacing of 18 mm. The structural design of the experiment is shown in Fig. 1. The electrolyte was pumped continuously and the electrolytically formed primary product separated in a settling tank designed as a hydrocyclone. The temperature of the electrolysis bath was kept constant via a heat exchanger. The conductivity remained constant.
Nach einer Versuchsdauer von 6,2 h (Q= 21 Ah) wurde die Anlage abgestellt. Der im Kreislauf der Zelle befindliche Elektrolyt wurde in den Absetzbehälter abgelassen. Nach ca. 60 Minuten war die überstehende Lösung klar und visuell feststofffrei. Das durch Dekantieren abgetrennte graue flockige Primärprodukt wurde dem Absetzbehälter entnommen und bei einer Temperatur von 95°C getrocknet. Der erhaltene graue Feststoff wurde anschließend bei 4000C für 2 h calciniert. Das calcinierte Endprodukt war grau.After a test period of 6.2 h (Q = 21 Ah), the system was shut down. The electrolyte in the circulation of the cell was drained into the settling tank. After about 60 minutes, the supernatant solution was clear and visually solids-free. The separated by decantation gray flaky primary product was removed from the settling tank and dried at a temperature of 95 ° C. The resulting gray solid was then calcined at 400 ° C. for 2 hours. The calcined end product was gray.
Beispiel 11 : Eisenoxid, Versuch mit neutralem Leitsalz in ungeteilter ZelleExample 11: Iron oxide, experiment with neutral conducting salt in undivided cell
In Analogie zu Beispiel 3 wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nanoskaliges Eisenoxid hergestellt. In einer 0,375 g/l Ammoniumacetat enthaltenden wässrigen Lösung wurde eine reine Eisenanode mit einer Fläche von 60 cm2 elektrolytisch aufgelöst. Hierzu wurde an die beschriebene Anode und eine Kathode aus Edelstahl eine Spannung von 40 V angelegt. Der resultierende Strom betrug ca. 1.100 mA, was einer Stromdichte von ca. 18 mA/cm2 entsprach. Die Elektrolysezelle bestand aus einem ungeteilten, gerührten Gefäß. Der pH-Wert der Lösung lag bei 7, die Temperatur bei 600C.In analogy to Example 3 nanoscale iron oxide was prepared by the novel process. In an aqueous solution containing 0.375 g / l of ammonium acetate, a pure iron anode having an area of 60 cm 2 was electrolytically dissolved. For this purpose, a voltage of 40 V was applied to the described anode and a cathode made of stainless steel. The resulting current was about 1100 mA, which corresponded to a current density of about 18 mA / cm 2 . The electrolysis cell consisted of an undivided, stirred vessel. The pH of the solution was 7, the temperature at 60 0 C.
Im Elektrolyten bildete sich ein rot-braunes flockiges Primärprodukt das nach dem Trocknen und Calcinieren als rot-brauner Feststoff vorlag (Maghemit- und Hämatit- phasen).A red-brown flaky primary product formed in the electrolyte after drying and calcining as a red-brown solid (maghemite and hematite phases).
Beispiel 12Example 12
Exemplarisch wurde der Zusammenhang zwischen lonenstärke und Teilchengröße der erhaltenen Partikel untersucht, wobei entsprechend den vorstehenden Beispielen mit Ammoniumacetat als Leitsalz gearbeitet wurde. Die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Demnach steigt die BET-Oberfläche mit abnehmender lonen- konzentration im Elektrolyten. Bei einer hohen Leitfähigkeit (zur Minimierung der Zellspannung) werden daher gröbere Pulver erhalten. By way of example, the relationship between ionic strength and particle size of the particles obtained was investigated, with ammonium acetate being used as conductive salt in accordance with the above examples. The results are shown in FIG. Accordingly, the BET surface area increases with decreasing ion concentration in the electrolyte. With a high conductivity (to minimize the cell voltage) coarser powders are therefore obtained.
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