WO2009015654A1 - Monolithic, porous component composed of substantially parallel nanotubes, method for producing it and use of the same - Google Patents

Monolithic, porous component composed of substantially parallel nanotubes, method for producing it and use of the same Download PDF

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Definitions

  • a monolithic porous member of substantially parallel nanotubes method of making and using same
  • the present invention relates to a monolithic, porous member of substantially parallel nanotubes, a method for its production and uses thereof.
  • Reactors for chemical synthesis, structured on a micrometer scale, are known as microreactors. They have been increasingly used in process development and optimization in recent years and are gaining more and more industrial interest. Such reactors are characterized by three-dimensional reaction spaces, which represent a container of only a few milliliters in volume and below. These reaction spaces, which have hitherto been produced mainly by various lithography and etching methods, usually have channels in the order of several micrometers, through which a fluid flows and in which a reaction takes place. Numerous reaction types - catalyzed and non-catalyzed, single- or multi-phase - have been realized in microreactors to date. In addition, there is enormous potential for bioprocess engineering using microorganisms and cells as biocatalysts.
  • the ratio of surface to volume is a key parameter and has a size of about 1,000 m 2 / m 3 in conventional industrial reactors, with microstructured Realctoren an increase in a range of 10,000 to 50,000 m 2 / m 3 is possible.
  • microreactors are known in the art, in whose channels nanotubes are generated. These nanotubes are typically in the range between about 10-200 nm in diameter. They offer the advantage of increasing the inner surface of the reaction space in order to apply catalyst particles therein and to allow better heat supply and removal, with simultaneously increased mass transfer. However, these have not been aligned very parallel to each other, have varying lengths in diameter and have material-side differences from the reactor material, which may be disadvantageous for the purposes of such microreactors.
  • the ratio of surface to volume should be significantly increased.
  • a further object of the invention is to provide a method for producing such a component and to identify possible uses.
  • the object is achieved by a method for producing a monolithic, porous member from substantially parallel nanotubes with a diameter in the range of 1 to 1000 nm, comprising the steps of: (i) providing a substantially parallel pore-containing template material; (ii) depositing at least one solid in the pores to form tubes and outer surfaces of the template at least substantially perpendicular to the pores to form cover layers, the solid being formed from an atomic / molecular precursor; (iii) optionally shaping the template coated in step (ii) to a predetermined shape and size; and (iv) removing the template.
  • the removal of the template by etching with bases or acids, preferably hydrofluoric acid, is performed.
  • the template material is selected from alumina, titania, silica, silica, and Group 12/16 compound semiconductors of the periodic table, such as CdS, CdSe, and CdTe.
  • the solid to be deposited is selected from carbon, metals, elements of groups 13-16 of the periodic table, polymers and combinations of said substances, optionally with the addition of hydrogen. Combinations with hydrogen allow hydrocarbons and polymers.
  • the solid is precipitated from the gas phase or condensed phase.
  • the deposition by chemical vapor deposition (CVD), metal evaporation, via polymers, sol-gel process or electrochemical deposition takes place.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the deposition via sol-gel processes or polymers has already been described many times and should therefore be well known to the person skilled in the art, see, for example, CJ. Brinker and G.W. Scherer, "Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, New York, 1990; Lu & Schüth, “Nanocasting: A Versatile Strategy for Creating Nanostructured Porous Materials” Adv.Matr. 2006, 18, 1793-1805.
  • Electrochemical deposition is described, for example, by C. Martin, Chem. Mater 1996, 8, 1739-1746.
  • a flow carrying the solids to be deposited is substantially parallel to the longitudinal axis of the pores of the template. The parallel flow is particularly important for vapor phase deposition processes (such as CVD processes), but of less importance for liquid phase depositions (such as sol-gel processes) or electrochemical deposition.
  • the template is heated in step (ii), preferably to a temperature of 700 to 1000 ° C.
  • cover layers and nanotubes be produced in one step.
  • a plurality of outer surfaces of the template can be coated with at least one solid to form a cover layer shell.
  • the coating of the outer surfaces can also be made variable. For example, the coating of two opposite side surfaces may be useful. The coating of all outer surfaces would close the reaction space.
  • the removal of the template is preferably carried out by etching with acid.
  • the etching is usually carried out with the aid of hydrofluoric acid (HF).
  • HF hydrofluoric acid
  • other mineral acids e.g. Phosphoric acid
  • bases such as KOH or NaOH may also be used.
  • the interior of the tubes is open to the outside surface. It is also proposed that the tubes of the component be filled, preferably with a compact or other porous material.
  • the interior of the tubes is completely filled.
  • the filling material may also be porous. It is therefore also proposed that the pores of the component are preferably filled with a compact or other porous material.
  • the component preferably has a surface to volume ratio of 50,000 to 100,000,000 m 2 / m 3 , preferably 500,000 to 10,000,000 m 2 / m 3 .
  • Tubes and cover layers can be constructed of similar or different materials.
  • the entire outer surface is provided with the cover layer.
  • the outer surface can be selectively removed again in defined areas.
  • the monolithic, porous component has a length and / or width of 0.1 mm to 5 cm and a thickness of 1 .mu.m to 1 mm.
  • the component according to the invention can absorb substances or be flowed through by them.
  • the component according to the invention can therefore be used as a flow or reaction space, wherein deposited cover surfaces limit the flow spatially. Therefore, a continuous or discontinuous operation of the component according to the invention is particularly preferably possible.
  • the use may be provided as a nanoreactor, sensor, heat exchanger or a combination thereof. It should be emphasized that when using the inventive component of the previously filled with template space and not the interior of the nanotubes is flowed through.
  • a flow guidance is made possible in which the flow runs perpendicular to the tube axes of the component and the individual tubes of the component flow around the outside. Due to the generated cover layers, the flow can also be limited in space.
  • the use as a component with system and integration reference can be provided to provide an interface between typical dimensions of nanotechnology and those of microstructure technology.
  • the structure of the device has a high degree of order since the nanotubes can be made very straight by the template. Furthermore, the nanotubes have a defined length, since the length of the nanotubes is determined by the thickness of the template and is uniform.
  • the outer diameter of the nanotubes produced in the component corresponds to the pore diameter of the template, the inner diameter of the tubes can be easily varied over the deposition time, so that defined diameter and wall thicknesses are adjustable. Also, the so-called aspect ratio, d. H. the ratio of length to diameter, very well adjustable.
  • a scale-spanning nano-macro-macro transition can be achieved and ensured from substantially macroscopically arranged parallel nanotubes.
  • Particularly preferred can be provided for use of the component with system and integration reference to create a Thomas Abbott between nanotechnology and microstructure technology. This may be provided in particular in the form of a sensor, heat soak, chemical reactor or a combination thereof.
  • the nanotubes end in an at least upper and lower cover layer, which extend substantially perpendicular to the longitudinal axis of the tubes. This makes possible a three-dimensional arrangement of the tubes, holds the tubes together and also offers a contacting possibility through the two cover layers. Furthermore, by providing the cover layers, the tubes can be handled well and flow within the component can be limited by the cover layers.
  • the degree of graphitization of the carbon via the temperature control during deposition is adjustable, which can control additional later functionalization of the formed tubes. Furthermore, the degree of graphitization can be changed even after deposition by temperature treatment.
  • the arrangement of the tubes and their distances are adjustable via the shape of the template, in particular its porosity.
  • impurities by catalyst particles do not occur in the deposited tubes when they are produced by non-catalytic gas phase deposition processes.
  • the tubes can be made open on both sides, so that the interior of the tubes is accessible after the manufacture of the component. Also tubes and cover layers can be made of the same material or of different materials.
  • Figures 1.1-1.3 show sectional views of a porous template or component according to the invention during the manufacturing process
  • FIG. 2.1-2.2 show further sectional views through a porous template and components according to the invention.
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a component according to the invention.
  • the process according to the invention can be carried out in a reactor as follows:
  • the reactor head consists of two nested carbon parts, which can be heated by induction.
  • a feed gas carrier gas and gas containing the solids intended for separation
  • a disk-shaped membrane of alumina which serves as a template for the production of the inventive component.
  • the disk is arranged so that the gas flow impinges substantially perpendicular to the flat disk surface.
  • Excess gas species are extracted by a pump.
  • the reactor has the peculiarity that, as already stated, the flow is perpendicular to the membrane surface, ie the flow is guided in the same direction as the longitudinal axis of the pores of the template. Furthermore, high temperatures occur only locally, since the membrane rests directly on the heated carbon elements of the reactor head. Temporally different temperature profiles can be represented by the induction heating used.
  • the entire surface of the component is provided with a cover layer. In this case, in the production process, the upper and lower outer layers and, in a further working step, the lateral outer layers to be brought. Further, the materials of the top, bottom and side cover layers may be different.
  • Porous alumina is preferably used as a template, which is characterized by its cylindrical pores with a narrow pore distribution.
  • the solid on the template Before or after the deposition of the solid on the template, it may be sized and shaped by suitable means (e.g., laser or plasma techniques). Subsequently, further solids can be applied to the template brought into the desired shape. Subsequently, the original template is made accessible by removing the deposited solids at least at one point and removing the template via this opening, which can be achieved, for example, by etching with acid or alkali.
  • suitable means e.g., laser or plasma techniques.
  • the provided opening (s) may or may later serve for introducing or removing the substances intended to receive the component according to the invention or through which the component according to the invention is intended to flow.
  • the template may be brought by suitable • designated agent in a desired size and shape before separation of the solid and the solids are then deposited. Subsequently, the deposited cover layer must also be removed at least one location in order to make accessible and remove the original template. Finally, the outer surface of the generated tubes can be further functionalized (eg, coating with catalysts) to promote reactions of molecules or species of interest to flow through the device with the higher surface area.
  • Figure 1.1 shows a sectional view through a porous template 1, which has a plurality of continuous pores 2.
  • the porous template 1 has been coated with a cover layer 3, while in FIG. 1.3, the porous template 1 has been removed by etching.
  • the individual tubes are connected via a cover layer.
  • Figure 2.1 shows a further schematic sectional view, starting from a porous template 1 with continuous pores 2.
  • Figure 2.2 shows on the left side parallel tubes, which are interconnected by an upper cover layer 4 and a lower cover layer 5 and closed to the outer surface. In an alternative embodiment shown on the right, it is possible that the pores of the template are completely filled by deposited solid 6.
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a component according to the invention, from which upper and lower cover layers as well as, substantially parallel tubes disposed therebetween can be clearly seen.
  • the erf ⁇ ndungshiele component can be used for example as a nanostructured micro-reactor, wherein reactant species can be introduced to the target of a chemical reaction in the component, as it is implemented in a known microreactor comparable.
  • Such nanostructured microreactors are particularly suitable for reactions with a high risk potential, for example highly exothermic or very toxic substances. of equipment already in operation or for screening functions, for example for catalysts or in the pharmaceutical industry.
  • the inventive component can be used, for example, as a nano-microstructure integrated reactor, wherein one or more reactant species are introduced into the component, the aim of a reaction of these species with each other, on the surface of the (possibly functionalized) tubes or a combination thereof.
  • An integrated reaction monitoring of microreactors is usually carried out by means of UV / VIS, IR 5 NMR, MS and LC / MS.
  • the component according to the invention offers an observation of the processes taking place in the component, in which a contacting of the upper and lower cover layer is carried out simultaneously.
  • the lateral cover layers must be removed or consist of different materials compared to the contacted cover layers.
  • a measurement of the running processes then takes place exclusively over the tubes of the component, e.g. by a time resolved view of the electrical resistance / conductance.
  • the component is also intended for use as a chemical sensor for gases or condensed phase reactants.
  • Screening functions for example, for catalysts or in the pharmaceutical industry or for the detection of biomolecules, for example via the key-lock principle by molecules applied to the tube surface, which favor a preferred docking of specific species from the fluid space.
  • Another use is as a heat exchanger.
  • the component according to the invention can be used for heat supply and removal since the heat transfer coefficient is inversely proportional to the dimensions of the structure of the heat exchanger.
  • the component according to the invention for example as a sensor is possible.
  • the component can be used as a sensor for characterization purposes.
  • a need for such chemical sensors is required, inter alia, for environmental observations, for the control of chemical processes and for agricultural and medical applications.
  • carbon tubes as a sensor element, show an increased sensitivity and a faster system response compared to conventional solid-state sensors.
  • the molecules to be studied absorb on the carbon nanotube wall and cause a strong, molecule-specific change in the electrical conductivity of the carbon structure, which can be measured.
  • the component according to the invention makes it possible, in particular, to achieve extremely precise positioning of the carbon nanotubes and easy contacting of the tubes over the cover layers, which has hitherto been technically extremely problematic and has hitherto largely prevented economical use of such components.
  • a reaction can take place within the component and at the same time the heat can be dissipated. Furthermore, a reaction can take place and be characterized simultaneously. In addition, a parallel connection and / or series connection of several Funitechnischsakuen is possible.
  • the component according to the invention is characterized by a special compactness by its nano-microstructured construction and thus also a possibility of a simple, scale-spanning system integration and significantly improved structural properties by the special arrangement of the nanotubes in the component and their direct connection with the cover layer. This also allows improved properties for handling and assembly techniques of such a nano-microstructure integrated component.

Abstract

The present invention relates to a method for producing a monolithic, porous component composed of substantially parallel nanotubes having a diameter in the range of 1 to 1000 nm, which method comprises the following steps: (i) providing a template material having substantially parallel pores; (ii) depositing at least one solid in the pores, in order to form tubes, and at least on outer surfaces of the template that are arranged substantially perpendicular to the pores, in order to form covering layers, wherein the solid is produced from an atomic/molecular precursor; (iii) optionally shaping the template coated in step (ii) to a predetermined shape and size; and (iv) removing the template.

Description

Monolithisches, poröses Bauteil aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung desselben A monolithic porous member of substantially parallel nanotubes, method of making and using same
Die vorliegende Erfindung betrifft ein monolithisches, poröses Bauteil aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren, ein Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendungen desselben.The present invention relates to a monolithic, porous member of substantially parallel nanotubes, a method for its production and uses thereof.
Reaktoren für die chemische Synthese, die im Mikrometermaßstab strukturiert sind, bezeichnet man als Mikroreaktoren. Sie werden in den letzten Jahren verstärkt in der Prozeßentwicklung und —Optimierung eingesetzt und gewinnen immer mehr an industriellem Interesse. Solche Reaktoren zeichnen sich durch dreidimensionale Reaktionsräume aus, die ein Behältnis von nur wenigen Millilitern Volumen und darunter darstellen. Diese Reaktionsräume, die bislang hauptsächlich über verschiedene Lithographie- und Ätzmethoden hergestellt werden, besitzen zumeist Kanäle in der Größenordnung mehrere Mikrometer, durch die ein Fluid strömt und in denen eine Reaktion stattfindet. Zahlreiche Reaktionstypen - katalysiert und nicht-katalysiert, ein- oder mehrphasig - wurden bis heute bereits in Mikroreaktoren realisiert. Daneben zeigt sich auch für die Mikro- Bioverfahrenstechnik unter Verwendung von Mikroorganismen und Zellen als Biokatalysatoren ein enormes Potential.Reactors for chemical synthesis, structured on a micrometer scale, are known as microreactors. They have been increasingly used in process development and optimization in recent years and are gaining more and more industrial interest. Such reactors are characterized by three-dimensional reaction spaces, which represent a container of only a few milliliters in volume and below. These reaction spaces, which have hitherto been produced mainly by various lithography and etching methods, usually have channels in the order of several micrometers, through which a fluid flows and in which a reaction takes place. Numerous reaction types - catalyzed and non-catalyzed, single- or multi-phase - have been realized in microreactors to date. In addition, there is enormous potential for bioprocess engineering using microorganisms and cells as biocatalysts.
Das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen stellt dabei einen Schlüsselparameter dar und besitzt bei herkömmlichen Industriereaktoren eine Größenordnung von etwa 1.000 m2/m3, bei mikrostrukturierten Realctoren ist eine Steigerung auf einen Bereich von 10.000 bis 50.000 m2/m3 möglich.The ratio of surface to volume is a key parameter and has a size of about 1,000 m 2 / m 3 in conventional industrial reactors, with microstructured Realctoren an increase in a range of 10,000 to 50,000 m 2 / m 3 is possible.
Auch sind im Stand der Technik Mikroreaktoren bekannt, in deren Kanälen Nanoröhren erzeugt werden. Diese Nanoröhren sind typischerweise im Bereich zwi- schen etwa 10-200 nm im Durchmesser. Sie bieten den Vorteil der Erhöhung der inneren Oberfläche des Reaktionsraumes, um darin Katalysatorpartikel aufzubringen und eine bessere Wärmezu- und -abfuhr zu ermöglichen, bei gleichzeitig gesteigertem Massentransfer. Jedoch konnte diese bislang nicht sehr parallel zueinander ausgerichtet werden, weisen variierende Längen im Durchmesser auf und besitzen materialseitige Unterschiede zum Reaktormaterial, was für die Einsatzzwecke solcher Mikroreaktoren nachteilig sein kann.Also microreactors are known in the art, in whose channels nanotubes are generated. These nanotubes are typically in the range between about 10-200 nm in diameter. They offer the advantage of increasing the inner surface of the reaction space in order to apply catalyst particles therein and to allow better heat supply and removal, with simultaneously increased mass transfer. However, these have not been aligned very parallel to each other, have varying lengths in diameter and have material-side differences from the reactor material, which may be disadvantageous for the purposes of such microreactors.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein monolithisches, pöro- ses Bauteil bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere als Nanoreaktor sowie für weitere Verwendungsmöglichkeiten einsetzbar ist. Insbesondere soll das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen deutlich erhöht werden. Darüberhinaus soll es ermöglicht werden, materialseitige Unterschiede zwischen innerer Oberfläche des Bauteils und der Bauteilhülle aufzuheben.It is therefore an object of the present invention to provide a monolithic, porous component which overcomes the disadvantages of the prior art and can be used, in particular, as a nanoreactor and for other possible uses. In particular, the ratio of surface to volume should be significantly increased. In addition, it should be possible to eliminate material-side differences between the inner surface of the component and the component shell.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils bereitzustellen und Verwendungsmöglichkeiten aufzuzeigen.A further object of the invention is to provide a method for producing such a component and to identify possible uses.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines monolithischen, porösen Bauteils aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 1000 nm, welches die Schritte umfaßt: (i) Bereitstellen eines im wesentlichen parallele Poren aufweisenden Templat-Materials; (ii) Abscheiden zumindest eines Feststoffs in den Poren zur Ausbildung von Röhren und zumindest auf im wesentlichen senkrecht zu den Poren angeordneten Außenoberflächen des Templats zur Ausbildung von Deckschichten, wobei der Feststoff aus einem atomaren/molekularen Vorläufer erzeugt wird; (iii) optional Formgebung des in Schritt (ii) beschichteten Templats auf eine vorgegebene Form und Größe; und (iv) Entfernen des Templats.The object is achieved by a method for producing a monolithic, porous member from substantially parallel nanotubes with a diameter in the range of 1 to 1000 nm, comprising the steps of: (i) providing a substantially parallel pore-containing template material; (ii) depositing at least one solid in the pores to form tubes and outer surfaces of the template at least substantially perpendicular to the pores to form cover layers, the solid being formed from an atomic / molecular precursor; (iii) optionally shaping the template coated in step (ii) to a predetermined shape and size; and (iv) removing the template.
Ferner ist vorgesehen, daß das Entfernen des Templats durch Ätzen mit Basen oder Säuren, bevorzugt Flußsäure, durchgeführt wird. Es ist bevorzugt, daß das Templat-Material ausgewählt wird aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Silizium, Siliziumdioxid und Verbindungshalbleitern der Gruppe 12/16 des Periodensystems, wie CdS, CdSe und CdTe.It is further provided that the removal of the template by etching with bases or acids, preferably hydrofluoric acid, is performed. It is preferred that the template material is selected from alumina, titania, silica, silica, and Group 12/16 compound semiconductors of the periodic table, such as CdS, CdSe, and CdTe.
Bevorzugter ist vorgesehen, daß der abzuscheidende Feststoff ausgewählt wird aus Kohlenstoff, Metallen, Elementen der Gruppen 13-16 des Periodensystems, Polymeren sowie Kombinationen der genannten Stoffe, optional unter Zugabe von Wasserstoff. Kombinationen mit Wasserstoff ermöglichen Kohlenwasserstoffe und Polymere.More preferably, it is provided that the solid to be deposited is selected from carbon, metals, elements of groups 13-16 of the periodic table, polymers and combinations of said substances, optionally with the addition of hydrogen. Combinations with hydrogen allow hydrocarbons and polymers.
Ebenso ist bevorzugt, daß der Feststoff aus der Gasphase oder kondensierten Phase abgeschieden wird.It is also preferred that the solid is precipitated from the gas phase or condensed phase.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das Abscheiden durch chemische Dampfabscheidung (CVD), Metallverdampfung, über Polymere, Sol-Gel- Verfahren oder elektrochemische Abscheidung erfolgt. Die Abscheidung über Sol-Gel-Verfahren oder Polymere wurde bereits vielfach beschrieben und sollte dem Fachmann daher gut bekannt sein, siehe beispielsweise CJ. Brinker und G.W. Scherer, „Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, New York, 1990; Lu & Schüth, „Nanocasting: A Versatile Strategy for Creating Nanostructured porous Materials" Adv.Matr. 2006, 18, 1793-1805. Eine elektrochemische Abscheidung wird beispielsweise von C. Martin, Chem. Mater 1996, 8, 1739-1746 beschrieben.In an embodiment, it can be provided that the deposition by chemical vapor deposition (CVD), metal evaporation, via polymers, sol-gel process or electrochemical deposition takes place. The deposition via sol-gel processes or polymers has already been described many times and should therefore be well known to the person skilled in the art, see, for example, CJ. Brinker and G.W. Scherer, "Sol-Gel Science - The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing", Academic Press, New York, 1990; Lu & Schüth, "Nanocasting: A Versatile Strategy for Creating Nanostructured Porous Materials" Adv.Matr. 2006, 18, 1793-1805. Electrochemical deposition is described, for example, by C. Martin, Chem. Mater 1996, 8, 1739-1746.
Ferner kann vorgesehen sein, daß als Deckschichten und in den Poren gleichartige oder unterschiedliche Feststoffe abgeschieden werden. Im Grunde ist es wichtig, daß Deckschichten und Porenfüllungen in einem Arbeitsschritt abgeschieden werden. Anschließend ist es möglich, die Deckschichten weiter aufzubauen (z.B. für eine Kontaktierung oder Stabilisierung des Bauteils) oder die Poren zu füllen (z.B. zur Stabilisierung). Außerdem ist bevorzugt, daß eine die abzuscheidenden Feststoffe tragende Strömung im wesentlichen parallel zur Längsachse der Poren des Templats ist. Die parallele Strömung ist insbesondere für Abscheidungsverfahren aus der Gasphase (wie z.B. CVD-Verfahren) wichtig, jedoch von weniger Bedeutung für Abscheidungen aus der Flüssigphase (wie z.B. Sol-Gel- Verfahren) oder eine elektrochemische Abscheidung.Furthermore, it can be provided that similar or different solids are deposited as cover layers and in the pores. Basically, it is important that cladding and pore fillings are deposited in one step. Subsequently, it is possible to further build up the cover layers (eg for contacting or stabilizing the component) or to fill the pores (eg for stabilization). In addition, it is preferred that a flow carrying the solids to be deposited is substantially parallel to the longitudinal axis of the pores of the template. The parallel flow is particularly important for vapor phase deposition processes (such as CVD processes), but of less importance for liquid phase depositions (such as sol-gel processes) or electrochemical deposition.
In einer Ausführungsform ist bevorzugt, daß das Templat in Schritt (ii) erwärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von 700 bis 1000°C.In one embodiment it is preferred that the template is heated in step (ii), preferably to a temperature of 700 to 1000 ° C.
Ferner wird vorgeschlagen, daß Deckschichten und Nanoröhren in einem Arbeitsschritt erzeugt werden.It is also proposed that cover layers and nanotubes be produced in one step.
Schließlich kann vorgesehen sein, daß mehrere Außenoberflächen des Templats zur Ausbildung einer Deckschichthülle mit zumindest einem Feststoff beschichtet werden. Die Beschichtung der Außenflächen kann ebenfalls variabel gestaltet werden. Zum Beispiel kann die Beschichtung von zwei gegenüberliegenden Seitenflächen sinnvoll sein. Die Beschichtung sämtlicher Außenoberflächen würde den Reaktionsraums abschließen.Finally, provision can be made for a plurality of outer surfaces of the template to be coated with at least one solid to form a cover layer shell. The coating of the outer surfaces can also be made variable. For example, the coating of two opposite side surfaces may be useful. The coating of all outer surfaces would close the reaction space.
Erfmdungsgemäß ist auch ein monolithisches, poröses Bauteil, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.According to the invention is also a monolithic, porous component which is produced by the process according to the invention.
Das Entfernen des Templats wird bevorzugt durch Ätzen mit Säure durchgeführt. Das Ätzen wird üblicherweise mit Hilfe von Flußsäure (HF) durchgeführt. Es könnten jedoch auch andere Mineralsäuren, z.B. Phosphorsäure, eingesetzt werden. Darüber hinaus können unter Umständen auch Basen, wie KOH oder NaOH, verwendet werden.The removal of the template is preferably carried out by etching with acid. The etching is usually carried out with the aid of hydrofluoric acid (HF). However, other mineral acids, e.g. Phosphoric acid, are used. In addition, bases such as KOH or NaOH may also be used.
Es ist bevorzugt, daß das Innere der Röhren zur Außenoberfläche hin offen ist. Vorgeschlagen wird auch, daß die Röhren des Bauteils gefüllt sind, vorzugsweise mit einem kompakten oder anderen porösen Material.It is preferred that the interior of the tubes is open to the outside surface. It is also proposed that the tubes of the component be filled, preferably with a compact or other porous material.
Auch kann vorgesehen sein, daß das Innere der Röhren vollständig gefüllt ist. Dadurch ist es möglich, in den Poren Stäbe zu erzeugen, deren Füllmaterial ebenfalls porös sein kann. Vorgeschlagen wird deshalb auch, daß die Poren des Bauteils, vorzugsweise mit einem kompakten oder anderen porösen Material gefüllt sind.It can also be provided that the interior of the tubes is completely filled. This makes it possible to produce in the pores rods, the filling material may also be porous. It is therefore also proposed that the pores of the component are preferably filled with a compact or other porous material.
Bevorzugt weist das Bauteil ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von 50.000 - 100.000.000 m2/m3, bevorzugt 500.000 bis 10.000.000 m2/m3 auf.The component preferably has a surface to volume ratio of 50,000 to 100,000,000 m 2 / m 3 , preferably 500,000 to 10,000,000 m 2 / m 3 .
Besonders bevorzugt ist, daß es aus Kohlenstoff aufgebaut ist.It is particularly preferred that it is composed of carbon.
Röhren und Deckschichten können aus gleichartigen oder unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein.Tubes and cover layers can be constructed of similar or different materials.
Auch wird vorgeschlagen, daß die gesamte Außenoberfläche mit der Deckschicht versehen ist. In sich daran anschließenden Arbeitsschritten kann die Außenoberfläche in definierten Bereichen gezielt wieder entfernt werden.It is also proposed that the entire outer surface is provided with the cover layer. In subsequent work steps, the outer surface can be selectively removed again in defined areas.
Vorteilhaft weist das monolithische, poröse Bauteil eine Länge und/oder Breite von 0,1 mm bis 5 cm und eine Dicke von 1 μm bis 1 mm auf.Advantageously, the monolithic, porous component has a length and / or width of 0.1 mm to 5 cm and a thickness of 1 .mu.m to 1 mm.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann Substanzen aufnehmen oder von diesen durchströmt werden. Das erfindungsgemäße Bauteil kann daher als Strömungsoder Reaktionsraum verwendet werden, wobei abgeschiedene Deckflächen die Strömung räumlich begrenzen. Daher ist besonders bevorzugt ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Bauteils möglich.The component according to the invention can absorb substances or be flowed through by them. The component according to the invention can therefore be used as a flow or reaction space, wherein deposited cover surfaces limit the flow spatially. Therefore, a continuous or discontinuous operation of the component according to the invention is particularly preferably possible.
Bevorzugt kann die Verwendung als Nanoreaktor, Sensor, Wärmetauscher oder eine Kombination derselben vorgesehen sein. Es soll hervorgehoben werden, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils der zuvor mit Templat gefüllte Raum und nicht das Innere der Nanoröhrchen durchströmt wird.Preferably, the use may be provided as a nanoreactor, sensor, heat exchanger or a combination thereof. It should be emphasized that when using the inventive component of the previously filled with template space and not the interior of the nanotubes is flowed through.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils wird eine Strömungsführung ermöglicht, bei der die Strömung senkrecht zu den Röhrenachsen des Bauteils verläuft und die individuellen Röhren des Bauteils außen umströmt. Durch die erzeugten Deckschichten kann die Strömung auch räumlich begrenzt werden. Besonders bevorzugt kann die Verwendung als Bauteil mit System- und Integrationsbezug vorgesehen werden, um eine Schnittstelle zwischen typischen Abmessungen der Nanotechnik und denen der Mikrostrukturtechnik zu schaffen.When using the component according to the invention, a flow guidance is made possible in which the flow runs perpendicular to the tube axes of the component and the individual tubes of the component flow around the outside. Due to the generated cover layers, the flow can also be limited in space. Particularly preferably, the use as a component with system and integration reference can be provided to provide an interface between typical dimensions of nanotechnology and those of microstructure technology.
Überraschenderweise wurden für das erfindungsgemäße Bauteil die folgenden Vorteile und Besonderheiten aufgefunden. Die Struktur des Bauteils weist einen hohen Ordnungsgrad auf, da die Nanoröhren durch das Templat sehr gerade hergestellt werden können. Ferner weisen die Nanoröhren eine definierte Länge auf, da die Länge der Nanoröhren über die Dicke des Templats festgelegt wird und gleichmäßig ist. Der Außendurchmesser der im Bauteil hergestellten Nanoröhren entspricht dem Porendurchmesser des Templats, der Innendurchmesser der Röhren kann über die Abscheidungszeit leicht variiert werden, so daß definierte Durchmesser und Wanddicken einstellbar sind. Ebenfalls ist das sogenannte Aspektverhältnis, d. h. das Verhältnis von Länge zu Durchmesser, sehr gut einstellbar. Besonders hervorzuheben ist, daß mit dem erfindungsgemäßen Bauteil ein skalenübergreifender Nano-Milcro-Makro-Übergang erreicht und gewährleistet werden kann aus im wesentlichen makroskopisch angeordneten parallelen Nanoröhren. Besonders bevorzugt kann eine Verwendung des Bauteils mit System- und Integrationsbezug vorgesehen werden, um eine Schnittstellt zwischen Nanotechnik und Mikrostrukturtechnik zu schaffen. Dies kann insbesondere in Form eines Sensors, Wärmetasuchers, chemischen Reaktors oder einer Kombination derselben vorgesehen sein.Surprisingly, the following advantages and peculiarities were found for the component according to the invention. The structure of the device has a high degree of order since the nanotubes can be made very straight by the template. Furthermore, the nanotubes have a defined length, since the length of the nanotubes is determined by the thickness of the template and is uniform. The outer diameter of the nanotubes produced in the component corresponds to the pore diameter of the template, the inner diameter of the tubes can be easily varied over the deposition time, so that defined diameter and wall thicknesses are adjustable. Also, the so-called aspect ratio, d. H. the ratio of length to diameter, very well adjustable. It should be particularly emphasized that with the component according to the invention, a scale-spanning nano-macro-macro transition can be achieved and ensured from substantially macroscopically arranged parallel nanotubes. Particularly preferred can be provided for use of the component with system and integration reference to create a Schnittstellt between nanotechnology and microstructure technology. This may be provided in particular in the form of a sensor, heat soak, chemical reactor or a combination thereof.
Die Nanoröhren enden in einer zumindest oberen und unteren Deckschicht, die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Röhren verlaufen. Dies ermöglicht eine dreidimensionale Anordnung der Röhren, hält die Röhren zusammen und bietet auch eine Kontaktierungsmöglichkeit durch die beiden Deckschichten. Weiterhin können die Röhren durch Bereitstellung der Deckschichten gut gehandhabt und eine Strömung innerhalb des Bauteils durch die Deckschichten begrenzt werden.The nanotubes end in an at least upper and lower cover layer, which extend substantially perpendicular to the longitudinal axis of the tubes. this makes possible a three-dimensional arrangement of the tubes, holds the tubes together and also offers a contacting possibility through the two cover layers. Furthermore, by providing the cover layers, the tubes can be handled well and flow within the component can be limited by the cover layers.
Bei Verwendung von Kohlenstoff als auf dem Templat abzuscheidenden Feststoff ist der Grad der Graphitisierung des Kohlenstoffs über die Temperaturführung während des Abscheidens einstellbar, wodurch eine zusätzliche spätere Funktio- nalisierung der gebildeten Röhren gesteuert werden kann. Weiterhin kann der Grad der Graphitisierung auch nach dem Abscheiden durch Temperaturbehandlung verändert werden. Die Anordnung der Röhren und die Abstände derselben sind über die Gestalt des Templats, insbesondere dessen Porosität, einstellbar.When carbon is used as the solid to be deposited on the template, the degree of graphitization of the carbon via the temperature control during deposition is adjustable, which can control additional later functionalization of the formed tubes. Furthermore, the degree of graphitization can be changed even after deposition by temperature treatment. The arrangement of the tubes and their distances are adjustable via the shape of the template, in particular its porosity.
Ferner treten keine Verunreinigungen durch Katalysatorpartikel in den abgeschiedenen Röhren auf, wenn diese durch nicht-katalytische Abscheidungsverfahren aus der Gasphase hergestellt werden.Further, impurities by catalyst particles do not occur in the deposited tubes when they are produced by non-catalytic gas phase deposition processes.
Die Röhren können beidseitig offen hergestellt werden, so daß der Innenraum der Röhren nach der Herstellung des Bauteils zugänglich ist. Auch können Röhren und Deckschichten aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.The tubes can be made open on both sides, so that the interior of the tubes is accessible after the manufacture of the component. Also tubes and cover layers can be made of the same material or of different materials.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in derFurther features and advantages of the component according to the invention will become apparent from the following detailed description of a preferred embodiment with reference to the drawing, in which
Figuren 1.1-1.3 Schnittansichten eines porösen Templats bzw. des erfindungsgemäßen Bauteils während des Herstellungsverfahrens zeigen;Figures 1.1-1.3 show sectional views of a porous template or component according to the invention during the manufacturing process;
Figuren 2.1-2.2 weitere Schnittansichten durch ein poröses Templat und erfindungsgemäße Bauteile zeigen; und Figur 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfindungsgemäßen Bauteils zeigt.Figures 2.1-2.2 show further sectional views through a porous template and components according to the invention; and FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a component according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Reaktor wie folgt durchgeführt werden:The process according to the invention can be carried out in a reactor as follows:
Es wird ein Reaktor mit einem Reaktorkopf eingesetzt, welcher Reaktorkopf aus zwei ineinander geschraubten Kohlenstoffteilen besteht, die über Induktion geheizt werden können. Über ein Metallrohr tritt ein Zuführungsgas (Trägergas und Gas enthaltend die zur Abscheidung vorgesehenen Feststoffe) in den Reaktorkopf ein. Im Reaktorkopf befindet sich eine scheibenförmige Membran aus Aluminiumoxid, die als Templat für die Herstellung des erfmdungsgemäßen Bauteils dient. Die Scheibe ist so angeordnet, daß die Gasströmung im wesentlichen senkrecht auf die flache Scheibenoberfläche auftrifft. Bei einer Temperatur von 700 - 1000°C werden als Zuführungsgas 10 - 20 sccm Propylen und 10 - 20 sccm (sccm = Standardkubikzentimeter pro Minute) Argon durch das Metallrohr in den Reaktorkopf geleitet. Dabei fuhren die hohen Temperaturen zu einer Fragmentierung des die abzuscheidenden Stoffe enthaltenden Gases und begünstigen die Bildung eines Feststoffs auf der Oberfläche und in den Poren der Scheibe, wobei sich im vorliegenden Fall Kohlenstoff auf dem Templat abscheidet. Überschüssige Gasspezies werden über eine Pumpe abgesaugt.It is used a reactor with a reactor head, the reactor head consists of two nested carbon parts, which can be heated by induction. A feed gas (carrier gas and gas containing the solids intended for separation) enters the reactor head via a metal tube. In the reactor head is a disk-shaped membrane of alumina, which serves as a template for the production of the inventive component. The disk is arranged so that the gas flow impinges substantially perpendicular to the flat disk surface. At a temperature of 700-1000 ° C, as feed gas, 10-20 sccm of propylene and 10-20 sccm (sccm = standard cubic centimeter per minute) of argon are passed through the metal tube into the reactor head. The high temperatures lead to a fragmentation of the gas containing the substances to be deposited and promote the formation of a solid on the surface and in the pores of the disc, which deposits carbon on the template in the present case. Excess gas species are extracted by a pump.
Der Reaktor weist die Besonderheit auf, daß, wie schon ausgeführt, die Strömung senkrecht zur Membranoberfläche verläuft, die Strömung also in derselben Richtung geführt wird, wie die Längsachse der Poren des Templats. Ferner treten hohe Temperaturen nur lokal auf, da die Membran direkt auf den beheizten Kohlenstoffelementen des Reaktorkopfs aufliegt. Zeitlich unterschiedliche Temperaturverläufe sind durch die verwendete Induktionsheizung darstellbar. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen Bauteils ist es möglich, daß die gesamte Oberfläche des Bauteils mit einer Deckschicht versehen ist. Dabei können im Herstellungsverfahren zunächst die oberen und unteren Deckschichten und in einem weiteren Arbeitsschritt die seitlichen Deckschichten auf- gebracht werden. Ferner können die Materialien der oberen, unteren und seitlichen Deckschichten verschieden sein.The reactor has the peculiarity that, as already stated, the flow is perpendicular to the membrane surface, ie the flow is guided in the same direction as the longitudinal axis of the pores of the template. Furthermore, high temperatures occur only locally, since the membrane rests directly on the heated carbon elements of the reactor head. Temporally different temperature profiles can be represented by the induction heating used. In a further advantageous embodiment of the inventive component, it is possible that the entire surface of the component is provided with a cover layer. In this case, in the production process, the upper and lower outer layers and, in a further working step, the lateral outer layers to be brought. Further, the materials of the top, bottom and side cover layers may be different.
Bevorzugt wird als Templat poröses Aluminiumoxid verwendet, das sich durch seine zylinderförmigen Poren mit einer engen Porenverteilung auszeichnet. Außerdem ist es bei Aluminiumoxid günstig, daß die parallel verlaufenden Poren in Ebenen enden, die senkrecht zur Porenachse sind. Dadurch ergeben sich zwei parallele Ebenen, die senkrecht auf den Porenachsen und dadurch auch auf den erzeugten Röhrenachsen liegen. Durch Wahl der Syntheseparameter kann die Porengröße und Dicke des Aluminiumoxids in weiten Bereichen variiert und somit die Gestalt der Zielstruktur eingestellt werden.Porous alumina is preferably used as a template, which is characterized by its cylindrical pores with a narrow pore distribution. In addition, it is beneficial in alumina that the parallel pores terminate in planes that are perpendicular to the pore axis. This results in two parallel planes that are perpendicular to the pore axes and thereby also on the generated tube axes. By choosing the synthesis parameters, the pore size and thickness of the aluminum oxide can be varied within wide limits and thus the shape of the target structure can be adjusted.
Vor oder nach dem Abscheiden des Feststoffs auf dem Templat kann dieses durch geeignete Mittel (z.B. Laser- oder Plasmaverfahren) in eine gewünschte Größe und Form gebracht werden. Anschließend können weitere Feststoffe auf das in die gewünschte Form gebrachte Templat aufgebracht werden. Anschließend wird das ursprüngliche Templat zugänglich gemacht, indem an mindestens einer Stelle die abgeschiedenen Feststoffe entfernt werden und das Templat über diese Öffnung entfernt wird, was beispielsweise durch Ätzen mit Säure oder Lauge erreicht werden kann.Before or after the deposition of the solid on the template, it may be sized and shaped by suitable means (e.g., laser or plasma techniques). Subsequently, further solids can be applied to the template brought into the desired shape. Subsequently, the original template is made accessible by removing the deposited solids at least at one point and removing the template via this opening, which can be achieved, for example, by etching with acid or alkali.
Die bereitgestellte(n) Öffnung(en) kann bzw. können später zum Ein- bzw. Ausführen der Substanzen dienen, die das erfindungsgemäße Bauteil aufnehmen soll oder von denen das erfindungsgemäße Bauteil durchströmt werden soll.The provided opening (s) may or may later serve for introducing or removing the substances intended to receive the component according to the invention or through which the component according to the invention is intended to flow.
Alternativ kann das Templat bereits vor Abscheidung des Feststoffs durch geeig- • nete Mittel in eine gewünschte Größe und Form gebracht werden und der Feststoff anschließend abgeschieden werden. Anschließend muß die abgeschiedene Deckschicht auch an mindestens einer Stelle entfernt werden, um das ursprüngliche Templat zugänglich zu machen und entfernen zu können. Schließlich kann die äußere Oberfläche der erzeugten Röhren weitergehend funk- tionalisiert werden (z.B. Beschichtung mit Katalysatoren), um Reaktionen von Molekülen oder zu untersuchenden Spezies, die das Bauteil durchströmen sollen, mit der höheren Oberfläche zu begünstigen.Alternatively, the template may be brought by suitable • designated agent in a desired size and shape before separation of the solid and the solids are then deposited. Subsequently, the deposited cover layer must also be removed at least one location in order to make accessible and remove the original template. Finally, the outer surface of the generated tubes can be further functionalized (eg, coating with catalysts) to promote reactions of molecules or species of interest to flow through the device with the higher surface area.
Figur 1.1 zeigt eine Schnittansicht durch ein poröses Templat 1, das eine Vielzahl durchgängiger Poren 2 aufweist. In Figur 1.2 wurde das poröse Templat 1 mit einer Deckschicht 3 beschichtet, während in Figur 1.3 das poröse Templat 1 durch Ätzen entfernt worden ist. Die einzelnen Röhren sind über eine Deckschicht verbunden.Figure 1.1 shows a sectional view through a porous template 1, which has a plurality of continuous pores 2. In FIG. 1.2, the porous template 1 has been coated with a cover layer 3, while in FIG. 1.3, the porous template 1 has been removed by etching. The individual tubes are connected via a cover layer.
Figur 2.1 zeigt eine weitere schematische Schnittansicht, ausgehend von einem porösen Templat 1 mit durchgängigen Poren 2. Figur 2.2 zeigt auf der linken Seite parallele Röhren, die durch eine obere Deckschicht 4 und eine untere Deckschicht 5 miteinander verbunden und zur Außenoberfläche hin geschlossen sind. In einer alternativen, rechts gezeigten Ausfuhrungsform ist es möglich, daß die Poren des Templats durch abgeschiedenen Feststoff 6 komplett ausgefüllt sind.Figure 2.1 shows a further schematic sectional view, starting from a porous template 1 with continuous pores 2. Figure 2.2 shows on the left side parallel tubes, which are interconnected by an upper cover layer 4 and a lower cover layer 5 and closed to the outer surface. In an alternative embodiment shown on the right, it is possible that the pores of the template are completely filled by deposited solid 6.
Schließlich zeigt Figur 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines erfmdungsgemäßen Bauteils, aus der obere und untere Deckschichten sowie da-, zwischen angeordnete, im wesentlichen parallele Röhren klar zu erkennen sind.Finally, FIG. 3 shows a scanning electron micrograph of a component according to the invention, from which upper and lower cover layers as well as, substantially parallel tubes disposed therebetween can be clearly seen.
Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Bauteile ist es möglich, mehrere solche Bauteile hintereinander zu schalten.To use the components according to the invention, it is possible to connect several such components in a row.
Das erfϊndungsgemäße Bauteil kann beispielsweise als nanostrukturierter Mikro- reaktor verwendet werden, wobei Eduktspezies zum Ziel einer chemischen Reaktion in das Bauteil eingeführt werden können, wie es vergleichbar in einem bekannten Mikroreaktor realisiert ist. Besonders geeignet sind solche nanostruktu- rierten Mikroreaktoren bei Reaktionen mit hohem Gefährdungspotential, beispielsweise stark exotherm reagierenden oder sehr toxischen Substanzen, zur Op- timierung von Anlagen, die bereits in Betrieb sind oder für Screening-Funktionen, beispielsweise für Katalysatoren oder in der Pharmaindustrie.The erfϊndungsgemäße component can be used for example as a nanostructured micro-reactor, wherein reactant species can be introduced to the target of a chemical reaction in the component, as it is implemented in a known microreactor comparable. Such nanostructured microreactors are particularly suitable for reactions with a high risk potential, for example highly exothermic or very toxic substances. of equipment already in operation or for screening functions, for example for catalysts or in the pharmaceutical industry.
Das erfmdungsgemäße Bauteil kann beispielsweise als Nano-Mikrostruktur integrierter Reaktor verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eduktspezies in das Bauteil eingeführt werden, zum Ziel einer Reaktion dieser Spezies untereinander, an der Oberfläche der (unter Umständen funktionalisierten) Röhren oder einer Kombination derselben. Ein integriertes Reaktionsmonitoring von Mikroreaktoren erfolgt üblicherweise mittels UV/VIS, IR5 NMR, MS und LC/MS.The inventive component can be used, for example, as a nano-microstructure integrated reactor, wherein one or more reactant species are introduced into the component, the aim of a reaction of these species with each other, on the surface of the (possibly functionalized) tubes or a combination thereof. An integrated reaction monitoring of microreactors is usually carried out by means of UV / VIS, IR 5 NMR, MS and LC / MS.
Darüberhinaus bietet das erfindungsgemäße Bauteil eine Beobachtung der im Bauteil ablaufenden Prozesse an, in dem eine Kontaktierung der oberen und unteren Deckschicht gleichzeitig durchgeführt wird. Dabei müssen die seitlichen Deckschichten entfernt sein oder aus unterschiedlichen Materialien verglichen zu den kontaktierten Deckschichten bestehen. Eine Messung der ablaufenden Prozesse erfolgt dann ausschließlich über die Röhren des Bauteils hinweg, z.B. durch eine zeitlich aufgelöste Betrachtung des elektrischen Widerstands/Leitwerts.Moreover, the component according to the invention offers an observation of the processes taking place in the component, in which a contacting of the upper and lower cover layer is carried out simultaneously. In this case, the lateral cover layers must be removed or consist of different materials compared to the contacted cover layers. A measurement of the running processes then takes place exclusively over the tubes of the component, e.g. by a time resolved view of the electrical resistance / conductance.
Besonders geeignet sind solche voll integrierten nano-mikrostrukturierten Realctoren bei Reaktionen mit hohem Gefährungspotential, beispielsweise exothermem Reaktionsverlauf oder auch der Handhabung sehr toxischer Substanzen.Particularly suitable are such fully integrated nano-microstructured Realctoren in reactions with high potential for contention, such as exothermic reaction course or the handling of very toxic substances.
Durch einen hohen Wärmeübergang ergibt sich die Möglichkeit einer schnellen Zu- und Abführung von Wärme in den Reaktor und aus dem Reaktor heraus. Die Reaktionen können somit isotherm gefahren werden, und die Bildung von sogenannten Hot-Spots und damit das Auftreten von beispielsweise sogenannten Ru- naway-Reaktionen kann vermieden werden. Unerwünschte Nebenreaktionen werden unterdrückt, was häufig eine Steigerung der Selektivität, Ausbeute und damit Produktqualität zur Folge hat.By a high heat transfer, there is the possibility of rapid supply and removal of heat in the reactor and out of the reactor. The reactions can thus be run isothermally, and the formation of so-called hot spots and thus the occurrence of, for example, so-called rutaway reactions can be avoided. Undesirable side reactions are suppressed, which often results in an increase in the selectivity, yield and thus product quality.
Darüber hinaus ist das Bauteil auch für einen Einsatz als chemischer Sensor für Gase oder auch Reaktanten in kondensierter Phase vorgesehen. Weiterhin für Screening-Funktionen, beispielsweise für Katalysatoren oder in der Pharmaindustrie oder für das Detektieren von Biomolekülen, z.B. über das Schlüssel-Schloss- Prinzip durch auf der Röhrenoberfläche aufgebrachten Moleküle, die ein bevorzugtes Andocken spezifischer Spezies aus dem Fluidraum begünstigen.In addition, the component is also intended for use as a chemical sensor for gases or condensed phase reactants. Continue for Screening functions, for example, for catalysts or in the pharmaceutical industry or for the detection of biomolecules, for example via the key-lock principle by molecules applied to the tube surface, which favor a preferred docking of specific species from the fluid space.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit ist als ein Wärmetauscher. Das erfin- düngsgemäße Bauteil kann zur Wärmezu- und -abfuhr genutzt werden, da der Wärmeübergangskoeffizient umgekehrt proportional zu den Dimensionen der Struktur des Wärmetauschers ist.Another use is as a heat exchanger. The component according to the invention can be used for heat supply and removal since the heat transfer coefficient is inversely proportional to the dimensions of the structure of the heat exchanger.
Auch ist die Verwendung zur Extraktion, Rektifikation oder als Mischer (wenn in dem Bauteil zwei oder mehr Ströme in Gleich- oder Gegenstrom geführt werden) möglich.Also, the use for extraction, rectification or as a mixer (if in the component two or more streams are conducted in cocurrent or countercurrent) is possible.
Schließlich ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils beispielsweise als Sensor möglich. Dabei kann das Bauteil als Sensor zu Charakterisierungszwecken verwendet werden. Eine Notwendigkeit solcher chemischen Sensoren wird unter anderem für Beobachtungen der Umwelt, für die Kontrolle von chemischen Prozessen und für landwirtschaftliche und medizinische Applikationen gefordert.Finally, the use of the component according to the invention, for example as a sensor is possible. In this case, the component can be used as a sensor for characterization purposes. A need for such chemical sensors is required, inter alia, for environmental observations, for the control of chemical processes and for agricultural and medical applications.
Röhren aus Kohlenstoff zeigen beispielsweise als Sensorelement eine um Größenordnungen erhöhte Sensitivität und eine schnellere Systemantwort gegenüber herkömmlichen Solid-State-Sensoren. Dabei absorbieren die zu untersuchenden Moleküle an die Kohlenstoffnanoröhrenwand und rufen eine starke, molekülspezifische Veränderung des elektrischen Leitwerts der Kohlenstoffstruktur hervor, die gemessen werden kann. Das erfindungsgemäße Bauteil ermöglicht in diesem Zusammenhang insbesondere eine äußerst präzise Positionierung der Koh- lenstoffnanoröhrchen und eine einfache Kontaktierung der Röhren über die Deckschichten, was bislang technisch äußert problematisch war und einen wirtschaftlichen Einsatz solcher Bauteile bisher in größerem Maße verhindert hat. Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Bauteil jedenfalls überwunden. Durch die Möglichkeit der zusätzlichen chemischen Funktionalisierung der Koh- lenstoffnanoröhrenwände kann diese Veränderung in weiten Grenzen gezielt beeinflußt und gesteuert werden.For example, carbon tubes, as a sensor element, show an increased sensitivity and a faster system response compared to conventional solid-state sensors. In the process, the molecules to be studied absorb on the carbon nanotube wall and cause a strong, molecule-specific change in the electrical conductivity of the carbon structure, which can be measured. In this context, the component according to the invention makes it possible, in particular, to achieve extremely precise positioning of the carbon nanotubes and easy contacting of the tubes over the cover layers, which has hitherto been technically extremely problematic and has hitherto largely prevented economical use of such components. These disadvantages are at least overcome by the component according to the invention. Due to the possibility of additional chemical functionalization of the carbon nanotube walls, this change can be specifically influenced and controlled within wide limits.
Ebenfalls besteht für die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils die Möglichkeit, die oben genannten Verwendungen zu kombinieren. So kann zum Beispiel eine Reaktion innerhalb des Bauteils ablaufen und gleichzeitig die Wärme abgeführt werden. Weiterhin kann eine Reaktion stattfinden und gleichzeitig charakterisiert werden. Zudem ist eine Parallelschaltung und/oder Serienschaltung mehrerer Funlctionseinheiten möglich.It is also possible to use the component according to the invention to combine the abovementioned uses. For example, a reaction can take place within the component and at the same time the heat can be dissipated. Furthermore, a reaction can take place and be characterized simultaneously. In addition, a parallel connection and / or series connection of several Funiktionseinheiten is possible.
Zusammenfassend zeichnet sich das erfindungsgemäße Bauteil durch eine besondere Kompaktheit durch seine nano-mikrostrukturierte Bauweise und damit ebenfalls verbunden einer Möglichkeit einer einfachen, skalenübergreifenden Systemintegration und deutlich verbesserter struktureller Eigenschaften durch die besondere Anordnung der Nanoröhren im Bauteil und deren direkte Verbindung mit der Deckschicht aus. Dies ermöglicht darüberhinaus verbesserte Eigenschaften für Handling- und Montagetechniken eines solchen Nano-Mikrostruktur-integrierten Bauteils.In summary, the component according to the invention is characterized by a special compactness by its nano-microstructured construction and thus also a possibility of a simple, scale-spanning system integration and significantly improved structural properties by the special arrangement of the nanotubes in the component and their direct connection with the cover layer. This also allows improved properties for handling and assembly techniques of such a nano-microstructure integrated component.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, the drawing and the claims may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zum Herstellen eines monolithischen, porösen Bauteils aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 1000 nm, welches die Schritte umfaßt:A method of making a monolithic porous member from substantially parallel nanotubes having a diameter in the range of 1 to 1000 nm, comprising the steps of:
(i) Bereitstellen eines im wesentlichen parallele Poren aufweisenden Templat-Materials ;(i) providing a substantially parallel pore template material;
(ii) Abscheiden zumindest eines Feststoffs in den Poren zur Ausbildung von Röhren und zumindest auf im wesentlichen senkrecht zu den Poren angeordneten Außenoberflächen des Templats zur Ausbildung von Deckschichten, wobei der Feststoff aus einem atomaren/molekularen Vorläufer erzeugt wird;(ii) depositing at least one solid in the pores to form tubes and outer surfaces of the template at least substantially perpendicular to the pores to form cover layers, the solid being formed from an atomic / molecular precursor;
(iii) optional Formgebung des in Schritt (ii) beschichteten Templats auf eine vorgegebene Form und Größe; und(iii) optionally shaping the template coated in step (ii) to a predetermined shape and size; and
(iv) Entfernen des Templats.(iv) Removing the template.
2. Verfahren nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen des Templats durch Ätzen mit Basen oder Säuren, bevorzugt Flußsäure, durchgeführt wird.2. The method of claim I 5, characterized in that the removal of the template by etching with bases or acids, preferably hydrofluoric acid, is performed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Templat- Material ausgewählt wird aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Silizium, Siliziumdioxid und Verbindungshalbleitern der Gruppe 12/16 des Periodensystems, wie CdS, CdSe und CdTe.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the template material is selected from alumina, titanium dioxide, silicon, silicon dioxide and compound semiconductors of the group 12/16 of the Periodic Table, such as CdS, CdSe and CdTe.
4. Verfaliren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der abzuscheidende Feststoff ausgewählt wird aus Kohlenstoff, Me- tallen, Elementen der Gruppen 13-16 des Periodensystems, Polymeren sowie Kombinationen der genannten Stoffe, optional unter Zusatz von Wasserstoff.4. Verfaliren according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid to be deposited is selected from carbon, Me- Tallen, elements of Groups 13-16 of the Periodic Table, polymers and combinations of these substances, optionally with the addition of hydrogen.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus der Gasphase oder kondensierten Phase abgeschieden wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the solid from the gas phase or condensed phase is deposited.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden durch chemische Dampfabscheidung (CVD), Metallverdampfung, über Polymere, Sol-Gel- Verfahren oder elektrochemische Abscheidung erfolgt.6. The method according to claim 5, characterized in that the deposition by chemical vapor deposition (CVD), metal evaporation, via polymers, sol-gel process or electrochemical deposition takes place.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Deckschichten und in den Poren gleichartige oder unterschiedliche Feststoffe abgeschieden werden.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that are deposited as outer layers and in the pores of the same or different solids.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine die abzuscheidenden Feststoffe tragende Strömung im wesentlichen parallel zur Längsachse der Poren des Templats ist.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a flow carrying the solids to be separated is substantially parallel to the longitudinal axis of the pores of the template.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Templat in Schritt (ii) erwärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von 700 bis 1000°C.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the template is heated in step (ii), preferably to a temperature of 700 to 1000 ° C.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Deckschichten und Nanoröhren in einem Arbeitsschritt erzeugt werden.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that cover layers and nanotubes are produced in one step.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Außenoberflächen des Templats zur Ausbildung einer Deck- schichthülle mit zumindest einem Feststoff beschichtet werden. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of outer surfaces of the template to form a cover layer shell are coated with at least one solid.
12. Monolithisches, poröses Bauteil aus im wesentlichen parallelen Nanoröhren mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 1000 nm, hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 11.12. Monolithic, porous component of substantially parallel nanotubes with a diameter in the range of 1 to 1000 nm, prepared by a method of claims 1 to 11.
13. Monolithisches, poröses Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Röhren zur Außenoberfläche hin offen ist.13. A monolithic, porous member according to claim 12, characterized in that the interior of the tubes to the outer surface is open.
14. Monolithisches, poröses Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere der Röhren vollständig gefüllt ist.14. A monolithic, porous member according to claim 12, characterized in that the interior of the tubes is completely filled.
15. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren des Bauteils gefüllt sind, vorzugsweise mit einem kompakten oder anderen porösen Material.15. Monolithic, porous component according to one of claims 12 to 14, characterized in that the tubes of the component are filled, preferably with a compact or other porous material.
16. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch ein Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von 50.000 - 100.000.000 m2/m3, bevorzugt 500.000 - 10.000.000 m2/m3.16. Monolithic, porous component according to one of claims 12 to 15, characterized by a surface to volume ratio of 50,000 - 100,000,000 m 2 / m 3 , preferably 500,000 - 10,000,000 m 2 / m 3 .
17. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Kohlenstoff aufgebaut ist.17. A monolithic, porous member according to any one of claims 12 to 16, characterized in that it is constructed of carbon.
18. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Röhren und Deckschichten aus gleichartigen oder unterschiedlichen Materialien aufgebaut sind.18. Monolithic, porous component according to one of claims 12 to 16, characterized in that tubes and cover layers are constructed of similar or different materials.
19. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Außenoberfläche mit der Deckschicht versehen ist.19. A monolithic, porous member according to any one of claims 12 to 18, characterized in that the entire outer surface is provided with the cover layer.
20. Monolithisches, poröses Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 19, mit einer Länge und/oder Breite von 0,1 mm bis 5 cm und einer Dicke von 1 μm bis 1 mm. 20. Monolithic, porous component according to one of claims 12 to 19, with a length and / or width of 0.1 mm to 5 cm and a thickness of 1 .mu.m to 1 mm.
21. Verwendung des monolithischen, porösen Bauteils nach einem der Ansprüche 12 bis 20 zur Aufnahme oder Durchströmung von Substanzen.21. Use of the monolithic, porous component according to one of claims 12 to 20 for receiving or flow of substances.
22. Verwendung nach Anspruch 21 in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betrieb.22. Use according to claim 21 in a continuous or discontinuous operation.
23. Verwendung nach Anspruch 21 oder 22 als Nanoreaktor, Sensor, Wärmetauscher oder Kombinationen derselben. 23. Use according to claim 21 or 22 as a nanoreactor, sensor, heat exchanger or combinations thereof.
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