Verfahren zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur für einen

Mikroreaktor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur für einen Mikroreaktor gemäß Anspruch 1.

Mikrostrukturen werden beispielsweise für Mikroreaktoren verwendet. Ein Mikroreaktor ist ein miniaturisierter Reaktor für chemische, pharmazeutische oder biotechnologische Anwendungen. Er ist in der Regel nur wenige Millimeter groß und kann beispielsweise als chemischer Reaktor für Flüssigkeiten oder Gase, die miteinander reagieren sollen, verwendet werden. Hierzu werden die Flüssigkeiten oder Gase in kleinen Kanälen - Mikrokanälen - der Mikrostruktur mit einander in Kontakt gebracht. Derartige Reaktoren benötigen im Vergleich zur herkömmlichen Prozesstechnik geringere Ressourcen. Zum Teil erlauben sie auch die Erprobung von Prozessbedingungen, die in den makroskopischen Reaktoren nicht möglich ist.

Ein Mikroreaktor kann beispielsweise als heterogener Katalysator eingesetzt werden. Für heterogene Katalysatoren wird am häufigsten die feste Form eingesetzt. Solche Feststoffkatalysatoren werden entweder vollständig aus einer aktiven Komponente hergestellt, oder die aktive Komponente wird auf ein Substrat aufgebracht. In der Regel besteht das Substrat aus keramischen Teilchen beim Formkörperkatalysator, einem Grundkörper aus mineralischer Keramik beim Monolithkatalysator oder einem keramischen Pulverträger beim Pulverkatalysator.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur für einen Mikroreaktor vorzuschlagen. Die erzeugte Mikrostruktur soll sich insbesondere für jegliche Art der heterogenen Katalyse und Elektrochemie eignen und eine kostengünstige Herstellung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer metallischen Mikrostruktur für einen Mikroreaktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, anstelle einer keramischen Grundstruktur für einen Mikroreaktor eine metallische (mikro)poröse Struktur mit einer eventuellen anschließenden katalytischen Beschichtung für die heterogene Katalyse oder als Elektrode für die Elektrochemie einzusetzen. Eine gemäß der Erfindung hergestellte metallische Mikrostruktur mit einer offenporigen Struktur besitzt günstige Eigenschaften für einen Mikroreaktor bzw. für den Einsatz als Mikroreaktor.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist nun zur Herstellung einer derartigen metallischen Mikrostruktur für einen Mikroreaktor ein Verfahren mit den folgenden Schritten vorgesehen:

Konfektionieren eines Metallschaums mit offenporiger Struktur, Infiltrieren des Metallschaums mit einer Metallpaste unter einem Vakuum, Sintern des so hergestellten Grundkörpers, und

Schneiden des gesinterten Grundkörpers zur endgültigen Form der herzustellenden metallischen Mikrostruktur.

Eine solchermaßen hergestellte metallische Mikrostruktur besitzt die oben genannten Vorteile und eignet sich aufgrund Ihrer Eigenschaften, beispielsweise aufgrund ihrer porösen dreidimensionalen Struktur für den

Einsatz in der Elektrochemie, insbesondere für Elektroden, ggf. nach einer zusätzlichen Beschichtung. Ferner ist sie aufgrund der offenporigen Struktur gasdurchlässig und besitzt eine große Oberfläche, die sich vor allem gut für chemische Prozesse wie für eine Katalyse eignet. Schließlich tritt bei der erfindungsgemäßen Mikrostruktur in der Regel auch nur ein geringer

Druckverlust aufgrund der offenporigen Struktur auf, wodurch sie gut zur Gasreinigung verwendet werden kann, z.B. für die Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff. Schließlich eignet sich die so hergestellte Mikrostruktur auch zum Einsatz als Filter oder als Trägermaterial/Supportlayer. Es sei angemerkt, dass Eigenschaften wie ein hoher Bubblepoint oder hohe Kapillarkräfte gezielt durch die Art der Porenverteilung und die Größe der Poren bei der Mikrostruktur eingestellt werden können.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die endgültige Form der herzustellenden metallischen Mikrostruktur ferner mit einem Katalysator beschichtet werden, wodurch ein für eine homogene und heterogene Katalyse (Gas/Gas, Gas/Flüssigkeit, Flüssigkeit/Flüssigkeit) geeigneter Mikroreaktor geschaffen werden kann. Das Beschichten mit einem Katalysator kann beispielsweise durch Tauchen, Spritzen oder elektrochemi- sches Abscheiden erfolgen. Um einen widerstandsfähigen und haltbaren Katalysator zu schaffen, kann die mit dem Katalysator beschichtete Mikrostruktur ferner einer Nachbehandlung, insbesondere einer Temperaturbehandlung unterzogen werden. Weitere mögliche Auftragsverfahren sind Schmelzen und Bedampfen (PVD). Darüber hinaus kann die Oberflächenspannung hydrophil bis hydrophob eingestellt werden.

Die zum Infiltrieren verwendete Metallpaste kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Metallpulver und ein Bindemittel für das Metallpulver aufweisen. Hierbei können gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Viskosität der Metallpaste und/oder die Korngröße des Metallpulvers entsprechend einer oder mehrerer gewünschter Zieleigenschaften der herzustellenden metallischen Mikrostruktur gewählt werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Sintern unter einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen, insbesondere um eine Oxidation des Metallschaums und der Metallpaste zu verhindern.

Die Erfindung betrifft gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Mikrostruktur für einen Mikroreaktor, die mit einem Verfahren nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung hergestellt ist. Ferner betrifft die Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsform die Verwendung einer derartigen Mikrostruktur als Mikroreaktor für eine homogene und heterogene Katalyse, als Elektrode, als Filter oder als Trägermaterial. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann bei der Verwendung eine Membran appliziert werden, beispielsweise anstelle eines Katalysators oder zusätzliche zu einem Katalysator, beispielsweise um einen Membranreaktor mit Filterwirkung zu schaffen. Schließlich betrifft eine Ausführungsform der Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Mikrostruktur für die Gasreinigung.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels des Herstellungsprozesses gemäß der Erfindung. Im ersten Schritt S10 wird zunächst die gewünschte Größe, Struktur und Verteilung von Poren in der herzustellenden metallischen Mikrostruktur bestimmt und dementsprechend ein entsprechender Metallschaum als Ausgangsmaterial ausgewählt. Beispielsweise kann ein handelsüblicher Metallschaum als Systemträger verwendet werden, der die gewünschten Eigenschaften aufweist. Der verwendete Metallschaum kann vor allem eine extrem offenporige Struktur besitzen.

Im folgenden Schritt S12 wird der in Schritt S10 ausgewählte Metallschaum mit offenporiger Struktur konfektioniert. In die offenporige Struktur des Metallschaums wird im Schritt S16 per Vakuuminfiltration eine Metallpaste (Metallpulver und Bindemittel) eingebracht. Die Zieleigenschaften können über die Viskosität der Paste und über die Korngröße des Metallpulvers im vorhergehenden Schritt S14 eingestellt werden. Dieser Grundkörper wird bei geeigneten Bedingungen unter reduzierender Atmosphäre gesintert (Schritt S18) und entbindert. Im nächsten Arbeitsgang S20 wird die endgültige Geometrie der herzustellenden metallischen Mikrostruktur durch Schneiden aus dem Rohling maßgenau gefertigt. Zuletzt wird im Schritt S22 der Katalysator aufgebracht. Dies kann z. B. durch Tauchen, Spritzen oder elektrochemische Abscheidung erfolgen. Anschließend kann in einem weiteren Schritt S24 eine spezielle Nachbehandlung erfolgen, z. B. eine Temperaturbehandlung.

Die gemäß der Erfindung hergestellte Mikrostruktur kann sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen (einige der Eigenschaften hängen von verschiedenen Faktoren ab wie der Eigenschaft des als Ausgangsmaterial verwendeten Metallschaums): - poröse Struktur

- gleichmäßige Porenverteilung

- homogene Porenstruktur

- hohes Hohlraumvolumen, Porosität

- hoher Bubblepoint/hohe Kapillarkräfte - Herstellung über Sinterprozess aus Metallpulver und Metallschaum

- Beständigkeit gegenüber Medien

- gasdurchlässig

- Beschichtung mit Katalysator möglich

- Hohe Wärmeleitfähigkeit - Elektrische Leitfähigkeit

Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann eine gleichmäßige Porenverteilung und homogene Porenstruktur bei gleichzeitig hohem Hohlraumvolumen z. B. für die Reaktanden erhalten werden. Bubblepoint und Kapillarkräfte können den Erfordernissen angepasst werden. Die so hergestellte Mikrostruktur weist eine gute Beständigkeit in breitem pH-Bereich - insbesondere bei höheren pH-Werten - auf. Weitere wichtige Merkmale sind die Gasdurchlässigkeit und der niedrige Druckverlust gegen gasförmige und flüssige Medien.

Die Reihenfolge der wesentlichen Herstellprozessschritte ist wie folgt:

- Metallschaum konfektionieren

- Infiltration

- Sintern - Schneiden

- Katalytisch beschichten (optional)

Die gemäß der Erfindung hergestellte Mikrostruktur kann z. B. als Mikroreaktor für homogene und heterogene Katalyse (Gas/Gas; Gas/Flüssigkeit; Flüssigkeit/Flüssigkeit), Elektrode (z. B. Brennstoffzelle, Elektrolyse), Filter, Trägermaterial/Supportlayer eingesetzt werden. Abhängig von der Anwendung ist optional die Verwendung eines Katalysators möglich. Anstelle oder zusätzlich zum Katalysator kann auch eine Membran appliziert werden. Aufgrund des geringen Druckverlustes kann die Mikrostruktur zur Gasreinigung verwendet werden, z. B. zur Rekombination von Wasserstoff und Sauerstoff.

Zusammenfassend kann also eine gemäß der Erfindung hergestellte Mikrostruktur folgende Vorteile aufweisen, die sich insbesondere aus dem mechanischen Aufbau der Struktur ergeben: - poröse dreidimensionale Struktur (gut für Elektroden und Katalysatoren)

- gleichmäßige Porenverteilung

- Größe der Poren gezielt einstellbar

- homogene Porenstruktur

- hohes Hohlraumvolumen - hoher Bubblepoint/hohe Kapillarkräfte (lassen sich gezielt einstellen)

- Speicherung von Elektrolyt

- Einfache Herstellung über Sinterprozess aus Metallpulver und Metallschaum

- Beständigkeit gegenüber Medien (insbesondere in hohen pH-Bereichen) - gasdurchlässig

- Einfache Beschichtung mit Katalysator möglich

- sehr hohe katalytisch wirksame Oberfläche

- geringer Druckverlust durch offene Porenstruktur

- temperierbar (heizen, kühlen), dabei in breitem Temperaturbereich unempfindlich

- Elektrisch beheizbar

- Elektrische Leitfähigkeit

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele für die Herstellung eines Mikroreaktors, die Herstellung der Paste und die nachfolgenede Infiltration beschrieben:

Beispiel 1

Verwendete Materialien:

Nickelschaum: Handelsüblicher offenporiger Ni-Schaum mit Porengröße von ca 0,5mm

Nickelpulver: Partikelgröße 2-10 micron

Anpastmittel : Methylcelluloseacetratlösung: 2% Lösung in Wasser

Die Paste wird im Verhältnis 1/1 mit dem Pulver vermischt bis eine homogene Paste entsteht. Die Viskosität welche sich hier einstellt ist im Bereich von 103 - 105 mPas. Die Paste wird dann mit einem Spachtel auf bzw. in den Schaum gebracht. Anschließend wird das Schaumstück mit der Paste in eine Vakuumkammer gebracht und für wenige Minuten ein Vakuum von 20 mbar angelegt. Dadurch wird vorallem die noch im Schaum verbliebene Luft entfernt und somit eine homogene Struktur erzielt. Bevor die Probe weiterverarbeitet wird muß noch die überschüssige Paste abgestreift werden.

Beispiel 2

Verwendete Materialien:

Nickelschaum: Handelsüblicher offenporiger Ni-Schaum mit Porengröße von ca 0,5mm

Nickelpulver: Partikelgröße 5 micron

Anpastmittel : Michung aus Wasser/Glykol/PEG

Die Paste wird im Verhältnis 2/3 Anpastmittel zu Metallpulver mit dem Pulver vermischt bis eine homogene Paste entsteht. Die Viskosität welche sich hier einstellt it im Bereich von 103 - 105 mPas. Die Paste wird dann mit einem Spachtel auf bzw. in den Schaum gebracht. Anschließend wird das Schaumstück mit der Paste in eine Vakuumkammer gebracht und ein Vakuum von 20 mbar angelegt für wenige Minuten. Dadurch wird vorallem die noch im Schaum verbliebene Luft entfernt und somit eine homogene Struktur erzielt.

Bevor die Probe weiterverarbeitet wird muß noch die überschüssige Paste abgestreift werden.