DE19606390C2 - Process for the production of precious metal submicron powder - Google Patents
Process for the production of precious metal submicron powderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Edelmetall-Submikronpulver durch reduktive Fäl lung aus einer wäßrigen oder wäßrig-alkoholischen Edelmetallsalzlösung. Die bekannten Verfahren zur technischen Herstellung feinteiliger Edelmetallpulver beruhen vorwiegend auf der chemischen Reduktion aus wäßrigen alkalischen Edelmetallsalzlösungen. Nach die sen Verfahren ist jedoch eine aufwendige Reinigung der erhaltenen Edelmetallpulver erforderlich, wobei Spuren von Alkalimetallverunreinigungen, die sich bei der Ver wendung der Edelmetallpulver zur Herstellung von zum Beispiel Leiterbahnen oder Elektroden für Sensoren besonders nachteilig auswirken, nicht vollständig ent fernt werden können. Zudem bilden sich bei den be kannten Verfahren Metallspiegel durch Abscheidung an den Reaktionsgefäßwänden, die zu Ausbeuteverlusten fuhren. Zu den angeführten Nachteilen verfahrenstech nischer Art kommen Nachteile, die sich in der Produk tionsqualität der danach hergestellten Pulver bemerk bar machen: Verunreinigung durch Alkalimetalle, sehr uneinheitliche Partikelgrößenverteilungen infolge der Ausbildung von Kristalliten und Agglomeraten im Her stellungsprozeß. The invention relates to a method for manufacturing of precious metal submicron powder by reductive precipitation treatment from an aqueous or aqueous-alcoholic Precious metal salt solution. The known methods for technical production of fine-particle precious metal powder are mainly based on chemical reduction aqueous alkaline precious metal salt solutions. After the However, this process is a time-consuming cleaning of the Precious metal powder obtained is required, leaving traces of alkali metal impurities, which are in the Ver Use of the precious metal powder for the production of Example conductor tracks or electrodes for sensors particularly disadvantageous, not completely ent can be removed. In addition, the be known process metal mirror by deposition the reaction vessel walls, which lead to losses in yield to lead. Procedural to the disadvantages mentioned nischer kind come disadvantages, which are in the produk tion quality of the powders produced thereafter make bar: contamination by alkali metals, very inconsistent particle size distributions due to Formation of crystallites and agglomerates in the here provision process.
Aus Patent Abstracts of Japan, M-780, 9. Sept. 1988, Bd. 12, No. 495 ist bekannt, Proteinderivate oder hochmolekulare Vinylverbindungen als polymere Fällungshilfsstoffe für hochfeine Silberpulver aus wässrigen Lösungen zu verwenden. Ebenso ist zur Herstellung feinverteilter Palladiumpulver aus dem Abstract zu JP 6-299212 A bekannt, nicht-ionische, oberflächenaktive Verbindungen als Fällungs hilfsmittel einzusetzen.From Patent Abstracts of Japan, M-780, Sept. 9, 1988, vol. 12, no. 495 is known, protein derivatives or high molecular weight vinyl compounds as polymeric precipitation aids for ultra fine silver powder to use aqueous solutions. Likewise, for the production of finely divided palladium powder from the Abstract known from JP 6-299212 A, non-ionic, surface-active compounds as precipitation use tools.
Der Einsatz von Fällungshilfsmitteln, insbesondere von Hydroxypropylcellulose, zur Herstellung feinteiliger, monodisperser Partikel wurde weiterhin bereits in anderem Zusammenhang zur Herstel lung von Metalloxidpartikeln, insbesondere Titandioxidpartikeln, in J. Ceram. Soc. Jpn., (1993), 101 (3), S. 315 bis 320, beschrieben.. Ein besonderes Temperaturverhalten des Fällungshilfsstoffes, das zur Verbesserung von Herstellungsverfahren und Produktqualität beiträgt, ist daraus nicht bekannt.The use of precipitation aids, in particular hydroxypropyl cellulose, for the production fine-particle, monodisperse particles have already been used in another connection with the manufacturer development of metal oxide particles, in particular titanium dioxide particles, in J. Ceram. Soc. Jpn., (1993), 101 (3), pp. 315 to 320, described .. A special temperature behavior of the precipitation aid, the It is not known from this to improve manufacturing processes and product quality.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil einer nahezu quantitativen Ausbeute, es führt nicht zur Verunreinigung des Reaktionsgefäßes durch Spiegelbildung, feinteilige Partikel können aus relativ konzentrierter Lösung präpariert werden, und die Reinigung und Abtrennung der Edelmetallpulver ist schnell und einfach. Das Verfahren ist insgesamt einfach und kostengünstig.The inventive method with the features of the main claim has the The advantage of an almost quantitative yield, it does not lead to contamination of the reaction vessel by mirror formation, fine particles can be prepared from a relatively concentrated solution, and cleaning and separating the precious metal powder is quick and easy. The procedure is overall simple and inexpensive.
Besonders vorteilhaft ist zudem die hervorragende Produktqualität: hochreine Edelmetallpulver, insbe sondere ohne Alkalimetallverunreinigungen, die als monodisperse, sphärische und wenig agglome rierte Partikel anfallen, mit definierter und im Submikronbereich, insbesondere im Bereich von 10 bis 500 nm, gezielt einstellbarer Partikelgröße.The excellent product quality is also particularly advantageous: high-purity precious metal powder, especially especially without alkali metal impurities, which are monodisperse, spherical and less agglomerated gated particles, with defined and in the submicron range, in particular in the range from 10 to 500 nm, specifically adjustable particle size.
Die erfindungsgemäße modifizierte Cellulose als polymerer Fällungshilfsstoff enthält ausschließlich die Elemente C, H, O und N und hinterlässt somit beim Einsatz der nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren erhaltenen Edelmetallpulver bei höherer Temperatur keine festen Rückstände und keine Verun reinigungen.The modified cellulose according to the invention as a polymeric precipitation aid contains exclusively the elements C, H, O and N and thus leaves the use of the Ver according to the invention drive precious metal powder obtained at a higher temperature, no solid residues and no pollution Cleaners.
Über oberflächenaktive Kräfte begrenzt die modifizierte Cellulose das Kristallwachstum und ermög licht dadurch die Ausbildung sehr feiner Partikel. Auf dasselbe kennzeichnende Merkmal, die oberflä chenaktiven Kräfte, gehen weitere Vorteile der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Edel metallpulver zurück; die Edelmetallpartikel haben weitgehend sphärische Gestalt, sie sind gut dispergiert und wenig agglomeriert. Des weiteren wird eine Spiegelbildung an den Wänden des Reak tionsgefäßes mit den damit verbundenen Nachteilen verhindert.The modified cellulose limits the crystal growth and enables it through surface-active forces thereby the formation of very fine particles. For the same characteristic, the surface active forces go further advantages of the noble obtained by the inventive method metal powder back; the precious metal particles are largely spherical in shape, they are good dispersed and little agglomerated. Furthermore, a mirror formation on the walls of the reak tion vessel with the associated disadvantages prevented.
In überraschender Weise konnte gefunden werden, dass das reduktiv gefällte Edelmetallpulver durch den erfindungsgemäßen Einsatz des polymeren Fällungshilfsstoffes modifizierte Cellulose in einfache rer und kostengünstigerer Weise gereinigt und abgetrennt werden kann, indem das temperaturabhängi ge Lösungsverhalten des polymeren Fällungshilfsstoffes ausgenützt wird.Surprisingly, it was found that the reductively precipitated precious metal powder the use of the polymeric precipitation aid modified cellulose according to the invention in simple can be cleaned and separated in a more economical and cost-effective manner by using the temperature-dependent ge dissolving behavior of the polymeric precipitation aid is used.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich.The measures listed in the subclaims are advantageous developments and Improvements to the method specified in the main claim possible.
So ist besonders vorteilhaft, dass der polymere Fällungshilfsstoff modifizierte Cellulose mit den redu zierten Edelmetallpartikeln Wasserstoffbrückenbildungen ausbildet.It is particularly advantageous that the polymeric precipitation aid modified cellulose with the reduced decorated precious metal particles forms hydrogen bonds.
Weiter hat sich gezeigt, dass das temperaturabhängige Lösungsverhalten für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft ist, da der Fällungshilfsstoff in kaltem Wasser oder Wasser/Alkohol-Mischungen löslich ist, beim Erwärmen dagegen reversibel ausfällt.It has also been shown that the temperature-dependent solution behavior for the inventive The method is advantageous because the precipitation aid in cold water or water / alcohol mixtures is soluble, but turns out to be reversible when heated.
Als Fällungshilfsstoff wird vorzugsweise eine Hydroxyalkylcellulose, insbesondere eine Hydroxypro pylcellulose, eingesetzt.A hydroxyalkyl cellulose, in particular a hydroxypro, is preferably used as the precipitation aid pylcellulose, used.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of preferred embodiments.
In ihren Untersuchungen zur Vereinfachung und Verbesserung der bekannten Verfahren zur Herstel
lung von Edelmetall-Submikronpulver haben die Erfinder gefunden, dass
die angestrebten Vorteile durch den Einsatz des polymeren Fällungshilfsstoffes modifizierte Cellulose
erreicht werden können, die folgende Eigenschaften aufweist:
In their investigations to simplify and improve the known processes for the production of precious metal submicron powder, the inventors found that the desired advantages can be achieved by using the polymeric precipitation aid modified cellulose, which has the following properties:
- - sie enthält höchstens die chemischen Elemente C, H, O und N, daneben keine weiteren Elemente, und- it contains at most the chemical elements C, H, O and N, besides no further elements, and
- - sie tritt in Wechselwirkung mit den reduzierten Edelmetallpartikeln über oberflächenaktive Kräfte.- It interacts with the reduced precious metal particles via surface-active forces.
Daneben zeigt der polymeren Fällungshilfsstoff auch ein temperaturabhängiges Lösungsverhalten.In addition, the polymeric precipitation aid also shows a temperature-dependent solution behavior.
Das temperaturabhängige Lösungsverhalten ist dann besonders günstig, wenn die Fällungsreaktion und die Wechselwirkung des gelösten Fällungshilfsstoffes mit den Edelmetallpartikeln bei Raumtem peratur stattfindet und durch anschließende Temperaturerhöhung deren Fällungshilfsstoff ausflockt und das Edelmetallpulver abgetrennt werden kann. Ein derartiges Lösungsverhalten zeigt zum Beispiel modifizierte Cellulose. Es ist jedoch auch möglich, ein temperaturabhängiges Lösungsverhalten aus zunützen, wonach der Fällungshilfsstoff bei erhöhter Temperatur löslich ist, und beim Abkühlen der Lösung ausfällt.The temperature-dependent solution behavior is particularly favorable when the precipitation reaction and the interaction of the dissolved precipitation aid with the precious metal particles at room temperature temperature takes place and flocculates their precipitation aid by subsequent temperature increase and the precious metal powder can be separated. Such a solution behavior shows, for example modified cellulose. However, it is also possible to find a temperature-dependent solution behavior benefit, after which the precipitation aid is soluble at elevated temperature, and when cooling the Solution fails.
Besonders geeignet als Fällungshilfsstoff in Form einer modifizierten Cellulose ist eine Hydroxypro pylcellulose mit einem Verätherungsgrad von 1,5 bis 2,6; das Molekulargewicht beträgt 50 000 bis 1 000 000 g/mol, insbesondere 50 000 bis 500 000 g/mol. A hydroxypro is particularly suitable as a precipitation aid in the form of a modified cellulose pylcellulose with a degree of etherification of 1.5 to 2.6; the molecular weight is 50,000 to 1,000,000 g / mol, in particular 50,000 to 500,000 g / mol.
Als Lösungsmittel werden Wasser oder Wasser/Alkohol-Mischungen eingesetzt; dabei wird Isopropanol als Alkohol bevorzugt. Zur wäßrigen oder wäßrig-alkoholischen Lösung eines oder mehrerer Edelme tallsalze, beispielsweise von Platin, Gold, Palladium, Rhodium, Ruthenium oder anderen Edelmetallen wird die modifizierte Cellulose zugegeben und bei Raumtemperatur mit der Lösung des Reduktions mittels, typischerweise Hydrazinhydrat, gemischt. Über die Konzentration von Edelmetallsalz und Fällungshilfsstoff ist die Partikelgröße der ausgefällten Edelmetallpartikel einstellbar; dabei kann mit relativ konzentrierten Lösungen gearbeitet werden. Die Reduktion setzt etwas verzögert ein. Durch Erwärmen des Reaktionsgemisches auf 60 bis 100°C, insbesondere 80°C, flockt der mit Metallpulver beladene Fällungshilfsstoff aus und wird durch Dekantieren oder Filtrieren abgetrennt. Das Metallpul ver wird anschließend durch Nutzung des Temperaturverhaltens des Fällungshilfsstoffes gereinigt und aus klarer, kalter Lösung durch Zentrifugieren gereinigt. Der erfindungsgemäß eingesetzte Fällungs hilfsstoff erleichtert somit die Handhabung und Reinigung von schwierig zu handhabenden Submic ron-Metallpulvern. Water or water / alcohol mixtures are used as solvents; this is isopropanol preferred as alcohol. For the aqueous or aqueous-alcoholic solution of one or more Edelme tall salts, for example of platinum, gold, palladium, rhodium, ruthenium or other noble metals the modified cellulose is added and at room temperature with the solution of the reduction mixed, typically hydrazine hydrate. About the concentration of precious metal salt and Precipitation aid, the particle size of the precipitated precious metal particles is adjustable; can with relatively concentrated solutions. The reduction starts somewhat delayed. By Heating the reaction mixture to 60 to 100 ° C, especially 80 ° C, flocculates with metal powder loaded precipitation aid and is separated by decanting or filtering. The metal pulp ver is then cleaned by using the temperature behavior of the precipitation aid cleaned from clear, cold solution by centrifugation. The precipitation used according to the invention auxiliary thus facilitates the handling and cleaning of difficult to handle submic ron-metal powders.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Fällungshilfsstoff wirkt nicht verunreinigend auf das Metallpulver; er ent hält ausschließlich die chemischen Elemente C, H, O und N, die das Metallpulver nicht bleibend verunreinigen, da sie bei dessen Anwendung bei erhöhter Temperatur als gasförmige Stoffe entweichen.The precipitation aid used according to the invention does not contaminate the metal powder; he ent only holds the chemical elements C, H, O and N, which do not permanently contaminate the metal powder, because it when used at elevated temperature as gaseous substances escape.
Durch seine oberflächenaktive Kräfte wirkt der Fäl lungshilfsstoff als Modifikator bei der Reduktion der Edelmetallsalze. Der bevorzugte Fällungshilfsstoff, mo difizierte Cellulose, enthält in großer Zahl Hydroxy gruppen, die Wasserstoffbrückenbindungen sowohl mit dem Lösungsmittel als auch mit der Oberfläche der Me tallpartikel ausbilden können. Möglicherweise werden die funktionellen Gruppen des hydrophilen Polymers zum Teil auch vor der Fällung in der ersten und zweiten Hydrathülle der Metallionen koordiniert. Das Polymer wirkt stark hemmend auf das Kristallwachstum und er möglicht sehr feine Fällungen auch aus relativ konzen trierten Lösungen mit bis zu 3,0 Gewichtsprozent Me tall; es fuhrt zu sphärischen Partikeln und verhindert die Abscheidung und damit Spiegelbildung an den Gefäß wänden; schließlich hält es die Metallpartikel gut disper giert in Lösung. Durch das temperaturabhängige Lö sungsverhalten ermöglicht der Fällungshilfsstoff erfin dungsgemäß eine einfachere und kostengünstigere Iso lierung und Reinigung der Edelmetallpartikel: In kaltem Wasser oder Wasser/Alkohol-Mischungen, bei 0 bis 40°C, insbesondere bei Raumtemperatur, ist der poly mere Fällungshilfsstoff gut löslich. Es bilden sich klare Lösungen, deren Viskosität vom Polymergehalt (0,1 bis 6,0 Gewichtsprozent) und Molekulargewicht es Poly mers abhängig ist. Der pH-Wert der Lösung hat dabei nur geringen Einfluß auf das Lösungsverhalten. Beim Erwärmen auf 60 bis 100°C, insbesondere auf 80°C, fin det dagegen eine Phasentrennung Polymer/Lösungs mittel statt. Das Polymer bildet grobe, gut filtrierbare Flocken, die mit dem bis zum fünffachen (möglicherwei se auch noch mehr) Gewicht an Metall beladen sein können. Je nach Metallbeladung setzt sich die Poly merphase ab oder schwimmt auf und kann leicht durch Dekantieren oder Heißfiltration abgetrennt werden.The precipitate works through its surface-active forces Additive as a modifier in the reduction of Precious metal salts. The preferred precipitation aid, mo differentiated cellulose, contains hydroxy in large numbers groups that have hydrogen bonds with both the solvent as well as with the surface of the Me can form tall particles. May be the functional groups of the hydrophilic polymer partly also before the precipitation in the first and second Metal ion hydration shell coordinates. The polymer has a strong inhibitory effect on crystal growth and it possible very fine precipitations from relatively concentrated solutions with up to 3.0 percent by weight of Me tall; it leads to spherical particles and prevents them Deposition and thus mirror formation on the vessel walls; after all, it keeps the metal particles well disper yaw in solution. Due to the temperature-dependent Lö The precipitation aid enables inventiveness according to a simpler and cheaper Iso Prevention and cleaning of the precious metal particles: in cold Water or water / alcohol mixtures, at 0 to 40 ° C, especially at room temperature, is the poly mere precipitation aid well soluble. Clear ones form Solutions whose viscosity depends on the polymer content (0.1 to 6.0% by weight) and molecular weight es poly is dependent. The pH of the solution is there only little influence on the solution behavior. At the Heating to 60 to 100 ° C, especially to 80 ° C, fin detects a phase separation polymer / solution medium instead. The polymer forms coarse, easily filterable Flakes that are up to five times (possibly se even more) weight of metal can. Depending on the metal load, the poly settles merphase or floats and can easily pass through Decanting or hot filtration can be separated.
Das Temperaturverhalten des Polymers ist reversibel und kann in Temperaturcyclen mehrmals durchlaufen werden. Die Phasentrennung in heißer Lösung ermög licht es, Feinstfällungen bei Reinigungsschritten einfach zu handhaben. Aus kalter, klarer Lösung kann das Me tall durch Zentrifugieren isoliert werden.The temperature behavior of the polymer is reversible and can run through several times in temperature cycles become. The phase separation in hot solution enables light it, fine precipitation during cleaning steps is easy to handle. From a cold, clear solution, the me tall be isolated by centrifugation.
Eine erste Lösung A aus 120 ml H2O, 30 ml i-PrOH, 8,0 g H2PtC16 (entsprechend 3,2 g Pt) und 3,0 g Hy droyxpropylcelluloe, CAS-Nummer 9004-64-2, Moleku largewicht 100 000 g/mol, sowie 30 ml einer zweiten Lö sung B von fünfprozentigem Hydrazinhydrat werden bei Raumtemperatur gemischt. Die Reduktion setzt et was verzögert ein. Anschließend wird das Reaktionsge misch auf 80°C erwärmt, das mit Metall beladene Poly mer fällt quantitativ aus. Nach zweimaliger Reinigung unter Nutzung des Temperaturverhaltens der Hydroxy propylcellulose wird 3,1 g PT-Pulver isoliert.A first solution A of 120 ml of H 2 O, 30 ml of i-PrOH, 8.0 g of H2PtC16 (corresponding to 3.2 g of Pt) and 3.0 g of hyroxypropyl cellulose, CAS number 9004-64-2, molecular weight 100 000 g / mol, and 30 ml of a second solution B of five percent hydrazine hydrate are mixed at room temperature. The reduction sets in somewhat delayed. The reaction mixture is then heated to 80 ° C., the polymer loaded with metal precipitates out quantitatively. After cleaning twice using the temperature behavior of the hydroxypropyl cellulose, 3.1 g of PT powder is isolated.
Zeigt eine mikroskopische Aufnahme des nach Bei spiel 1 erhaltenen Pt-Pulvers, bei 20 000facher Vergrö ßerung (Fig. 1a), sowie bei 100 000facher Vergröße rung (Fig. 1b). Wie aus der Figur ersichtlich, sind die Platin-Teilchen weitgehend sphärisch und gut disper giert.Shows a micrograph of the Pt powder obtained in Example 1, at 20,000 times magnification ( Fig. 1a), and at 100,000 times magnification ( Fig. 1b). As can be seen from the figure, the platinum particles are largely spherical and well dispersed.
Eine erste Lösung A von 0,5 g HAuC14 (entsprechend 0,25 g Au) und 1,0 g Hydroxypropylcellulose, CAS- Nr. 9004-64-2 (Molekulargewicht 370 000 g/mol) in 100 ml Wasser wird mit einer Lösung B von 50 ml 0,5prozentigem Hydrazinhydrat bei Raumtemperatur gemischt. Die Reduktion setzt etwas verzögert ein. Beim Erwärmen des Reaktionsgemisches auf 80°C fällt tiefrotes Metall/Polymer quantitativ aus. Das Goldpul ver wird anschließend zu ethanolischen und wäßrigen Suspensionen und Pasten verarbeitet.A first solution A of 0.5 g HAuC14 (corresponding 0.25 g Au) and 1.0 g hydroxypropyl cellulose, CAS No. 9004-64-2 (molecular weight 370,000 g / mol) in 100 ml of water is mixed with a solution B of 50 ml 0.5 percent hydrazine hydrate at room temperature mixed. The reduction starts somewhat delayed. When the reaction mixture is heated to 80 ° C. deep red metal / polymer quantitatively. The gold powder ver then becomes ethanolic and aqueous Suspensions and pastes processed.
Eine erste Lösung A von 7,5 g H2PtC16 (entspre chend 3,0 g Pt), 3,0 g HAuC14 (entsprechend 1,6 g Au) und 2,0 g Hydroxypropylcellulose, CAS-Nummer 9004-64-2 (Molekulargewicht 100 000 g/mol) in 300 ml H2O/i-PrOH-Gemisch (2 : 1) wird mit einer zweiten Lö sung B von 60 ml 2,5prozentigem Hydrazinhydrat bei Raumtemperatur gemischt. Die Reduktion setzt etwas verzögert ein. Beim Erwärmen des Reaktionsgemisches auf 80°C fällt das Metall/Polymer quantitativ aus. Nach zweimaliger Reinigung unter Nutzung des Temperatur verhaltens von Hydroxypropylcellulose wird 4,3 g Pt/ Au-Pulver isoliert.A first solution A of 7.5 g H2PtC16 (corresponding to 3.0 g Pt), 3.0 g HAuC14 (corresponding to 1.6 g Au) and 2.0 g hydroxypropyl cellulose, CAS number 9004-64-2 (molecular weight 100,000 g / mol) in 300 ml H 2 O / i-PrOH mixture (2: 1) is mixed with a second solution B of 60 ml 2.5% hydrazine hydrate at room temperature. The reduction starts somewhat delayed. When the reaction mixture is heated to 80 ° C., the metal / polymer precipitates quantitatively. After cleaning twice using the temperature behavior of hydroxypropyl cellulose, 4.3 g of Pt / Au powder is isolated.
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WO1997030811A1 (en) | 1997-08-28 |
DE19606390A1 (en) | 1997-08-28 |
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