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DE102004046108A1 - Nanostructures and coherent spatial structures for adsorbing chemicals (e.g. hydrogen in fuel cells) has all of its surfaces adapted for adsorption - Google Patents

Nanostructures and coherent spatial structures for adsorbing chemicals (e.g. hydrogen in fuel cells) has all of its surfaces adapted for adsorption Download PDF

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DE102004046108A1
DE102004046108A1 DE102004046108A DE102004046108A DE102004046108A1 DE 102004046108 A1 DE102004046108 A1 DE 102004046108A1 DE 102004046108 A DE102004046108 A DE 102004046108A DE 102004046108 A DE102004046108 A DE 102004046108A DE 102004046108 A1 DE102004046108 A1 DE 102004046108A1
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Germany
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saddle
spatial structure
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hydrogen
spatial
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Withdrawn
Application number
DE102004046108A
Other languages
German (de)
Inventor
Jörg Dr.-Ing. Melcher
Monika Dr.rer.nat. Junge
Franz Dr.rer.nat. Lura
Timo Niederstadt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Priority to AT05020633T priority patent/ATE395971T1/en
Priority to EP05020633A priority patent/EP1642640B1/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
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Abstract

Eine Nanostruktur für das Adsorbieren chemischer Substanzen, insbesondere von Wasserstoff, weist eine maximale äußere Abmessung von 2000 nm auf. Jede Oberfläche der Nanostruktur ist eine gekrümmte äußere Oberfläche mit einer Gaußschen Krümmung kleiner als null.A Nanostructure for the adsorption of chemical substances, in particular of hydrogen, has a maximum outer dimension from 2000 nm up. Every surface The nanostructure is a curved outer surface with a Gaussian curvature less than zero.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine räumliche Struktur für das Adsorbieren chemischer Substanzen, insbesondere von Wasserstoff, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The Invention relates to a spatial Structure for the adsorption of chemical substances, in particular of hydrogen, with the features of the preamble of claim 1.

Ein Beispiel für die Verwendung einer solchen räumlichen Struktur besteht in einem Wasserstoffspeicher, in dem Wasserstoff reversibel an die räumliche Struktur angelagert wird. Daneben gibt es viele andere Anwendungsmöglichkeiten solcher räumlicher Strukturen für das Adsorbieren chemischer Substanzen, wobei insbesondere die Fälle hier von Interesse sind, in denen es um ein reversibles Adsorbieren der chemischen Substanzen geht, also um die vorübergehende und wieder lösbare Anbindung der chemischen Substanzen an die jeweilige räumliche Struktur. Es gibt aber auch sinnvolle Anwendungen, bei denen die Anbindung im Wesentlichen dauerhaft sein sollte, beispielsweise wenn bestimmte Substanzen aus einem Gasstrom herauszufiltern sind.One example for the use of such a spatial Structure consists in a hydrogen storage in which hydrogen reversible to the spatial Structure is attached. There are many other applications as well such spatial Structures for Adsorbing chemical substances, and in particular the cases here are of interest in which it is a reversible Adsorbieren the chemical substances, that is to say the temporary and detachable connection of the chemical substances to the respective spatial structure. But there is also useful applications where the connection is essentially should be permanent, for example, if certain substances to be filtered out of a gas stream.

STAND DER TECHNIKSTATE OF TECHNOLOGY

Die Zukunft der Brennstoffzellentechnologie, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, hängt von Fortschritten bei der Speicherung von Wasserstoff in Wasserstoffspeichern mit möglichst geringem Volumen, möglichst geringem Gewicht aber dennoch möglichst hoher Betriebssicherheit ab.The Future of fuel cell technology, for example in the automotive sector, depends on Progress in the storage of hydrogen in hydrogen storage with as possible low volume, if possible low weight but still possible high reliability.

Die einfache Speicherung von Wasserstoff in Drucktanks birgt ein hohes Gefahrenpotenzial, da hier für eine nennenswerte Füllung Drücke im Bereich von 500 bis 1.000 bar notwendig sind. Außerdem sind entsprechende Drucktanks sperrig und schwer und daher schwierig, in Kraftfahrzeugen unterzubringen.The Simple storage of hydrogen in pressure tanks holds a high Danger potential, here for a significant filling pressures in the range of 500 to 1,000 bar are necessary. Besides, they are corresponding pressure tanks bulky and heavy and therefore difficult to accommodate in motor vehicles.

Eine bekannte Alternative zu Drucktanks bei der Wasserstoffspeicherung basiert auf porösen Festkörpern aus Metallen. Diese Wasserstoffspeicher basieren auf dem Effekt, dass bestimmte Metalle wie z.B. Palladium oder Magnesium, und intermetallische Verbindungen, wie z.B. ZrMn2, Wasserstoff unter moderatem Druck aufnehmen und ihn innerhalb ihrer Gitterstruktur als Metallhydrid binden. Bei Temperaturerhöhung erfolgt eine Wiederfreisetzung des Wasserstoffs. Diese chemischen Reaktionen sind nicht nur reversibel sondern gut kontrollierbar und erlauben eine weitgehend verlustfreie Speicherung von Wasserstoff über einen längeren Zeitraum, da das Gas chemisch gebunden ist und daher nicht entweichen kann. Auch aus Sicherheitsgesichtspunkten sind Metallhydridspeicher nahezu unbedenklich. Als nachteilig ist jedoch die geringe massespezifische Speicherdichte von bekannten Metallhydridspeichern anzusehen, die nur zwischen 1,7 und 5 Gewichtsprozent Wasserstoff bezogen auf die Masse des Speichermediums beträgt. Metallhydridspeicher sind also sehr schwer. Ein zusätzlicher Nachteil besteht darin, dass je nach Metallhydrid zur Freisetzung des Wasserstoffs sehr hohe Temperaturen erforderlich sind. Die bislang maximal erreichte Speicherdichte von 5 Gewichtsprozent wurde mit Hilfe komplexer Metallhydride, wie z.B. Natrium-Aluminiumhydrid (Natriumallanat) erreicht, bei denen trotz Reduzierung kinetischer Barrieren mit geeigneten Katalysatoren sehr lange Beladungszeiten erforderlich sind und auch nur relativ geringe Wiederabgaberaten des Wasserstoffs realisierbar sind.One known alternative to hydrogen storage pressure tanks is based on porous solid bodies of metals. These hydrogen storage systems are based on the effect that certain metals, such as palladium or magnesium, and intermetallic compounds, such as ZrMn 2 , absorb hydrogen under moderate pressure and bind it within their lattice structure as metal hydride. When the temperature increases, the hydrogen is released again. These chemical reactions are not only reversible but easy to control and allow a largely lossless storage of hydrogen over a longer period of time, since the gas is chemically bonded and therefore can not escape. Also from a safety point of view metal hydride storage is almost harmless. However, the disadvantage is the low mass-specific storage density of known metal hydride storage, which is only between 1.7 and 5 percent by weight of hydrogen, based on the mass of the storage medium. Metal hydride storage is very difficult. An additional disadvantage is that depending on the metal hydride to release the hydrogen very high temperatures are required. The previously achieved maximum storage density of 5 percent by weight was achieved with the aid of complex metal hydrides, such as sodium aluminum hydride (sodium allanate) in which, despite reducing kinetic barriers with suitable catalysts very long loading times are required and only relatively low Wiederabgaberaten of hydrogen can be realized.

Es wird daher verstärkt nach alternativen Wasserstoffspeichern gesucht. Ein hohes diesbezügliches Potenzial weisen Nanostrukturen, d.h. nanoskalige räumliche Strukturen auf, die aufgrund ihrer vergrößerten Oberfläche prinzipielle Vorteile bei der Absorption chemischer Substanzen bieten. Auch die Erreichbarkeit der Oberfläche von Nanostrukturen ist verglichen mit der Erreichbarkeit von Absorptionsplätzen im Inneren eines Festkörpers sehr günstig.It is therefore reinforced looking for alternative hydrogen storage. A high potential in this regard have nanostructures, i. nanoscale spatial structures that due to their enlarged surface principal Offer advantages in the absorption of chemical substances. Also the Accessibility of the surface of nanostructures is compared with the accessibility of absorption sites in the Inside of a solid attractively priced.

In den letzten Jahren haben Berichte über hohe Speicherkapazitäten von Nanostrukturen in Form von Kohlenstoffröhrchen mit einem Durchmesser von bis zu 20 Nanometern und einer Länge von 100 nm bis zu einigen Millimetern, hohe Aufmerksamkeit erregt. Die hierzu anfänglich publizierten hohen Speicherdichten konnten jedoch experimentell nicht nachgewiesen werden. Seriöse Angaben der Speicherdichten liegen zwischen 2 und 4,5 Gewichts-%, wobei jedoch noch unklar ist, welche Größen und weitere Parameter der Kohlenstoffröhrchen die besten Speichereigenschaften besitzen. So können die Wandungen der Röhrchen unterschiedliche Aufbauten, d.h. Anordnungen der einzelnen Atome, aufweisen, die beispielsweise als "armchair", "zigzag" und "chiral" bezeichnet werden. Die notwendigen Beladungszeiten bei Kohlenstoffröhrchen, um die oben angegebenen Speicherdichten zu erzielen, liegen immer noch im Bereich einiger Stunden und sind daher als tendenziell viel zu lang für einen Einsatz beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich anzusehen, in dem ein schnelleres Wiederaufladen eines Wasserstoffspeichers möglich sein sollte.In Recent years have reports of high storage capacities of Nanostructures in the form of carbon tubes with a diameter of up to 20 nanometers and a length of 100 nm up to a few Millimeters, attracted a lot of attention. The initially published However, high storage densities could not be detected experimentally become. Serious Storage densities are between 2 and 4.5% by weight, However, it is still unclear which sizes and other parameters of Carbon tubes have the best storage properties. So the walls of the tubes can be different Structures, i. Arrangements of the individual atoms, which have for example, as "armchair", "zigzag" and "chiral". The necessary loading times for carbon tubes to those specified above Storage densities are still in the range of some Hours and therefore tend to be too long for one To be used, for example, in the field of motor vehicles, in which a faster recharging of a hydrogen storage be possible should.

Es sind auch gekrümmte und helikale Kohenstoffröhrchen als Nanostrukturen in Erwägung gezogen worden, um Wasserstoff zu speichern. Hierdurch werden sich aber die grundsätzlichen Eigenschaften solcher Kohlenstoffröhrchen zur Wasserstoffspeicherung nicht verbessern lassen.Curved and helical collimator tubes have also been considered as nanostructures to store hydrogen. As a result, but the basic characteristics of such Can not improve carbon tubes for hydrogen storage.

Neben Kohlenstoffröhrchen sind auch Nanostrukturen in Form von Hohlkugeln und ineinander angeordneten Kugelschalen (Nanozwiebeln) für die Wasserstoffspeicherung in Betracht gezogen worden. Bei diesem verschlechtert sich jedoch in zunehmendem Maße der Schachtelung die Erreichbarkeit der dann innen liegenden Oberflächen.Next Carbon tubes are also nanostructures in the form of hollow spheres and arranged one inside the other Ball cups (nano onions) for hydrogen storage has been considered. In this However, the nestability worsens increasingly the reachability the then interior surfaces.

Die Erreichbarkeit der Oberflächen für den anzulagernden Wasserstoff ist bei einer bekannten räumlichen Struktur mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 am Größten, die als Nanocone bezeichnet wird und bei der eine innere und eine äußere gekrümmte Oberfläche von einer einzigen kegelmantelförmige atomaren Einzellage aus graphitischem Kohlenstoff ausgebildet sind. Allerdings ist die Frage, ob sich z.B. Wasserstoff auch an der inneren Spitze eines Nanocones anlagern kann, oder ob hier nicht tatsächlich sehr ungünstige Potenzialverhältnisse insbesondere für die reversible Anlagerung chemischer Substanzen vorliegen.The Accessibility of the surfaces for the to be accumulated hydrogen is at a known spatial Structure having the features of the preamble of claim 1 largest, the is called nanocone and in which an inner and an outer curved surface of a single cone-shaped atomic single layer of graphitic carbon are formed. However, the question is whether, e.g. Hydrogen also on the inner Tip of a nanocone can attach, or if not really very unfavorable potential conditions especially for the reversible attachment of chemical substances are present.

Es sind auch planare graphitische Kohlenstoffschichten zur Speicherung von Wasserstoff erprobt worden. Auch bei relativ hohen Drücken während der Beladung wurden damit jedoch nur relativ geringe Speicherdichten erzielt.It are also planar graphitic carbon layers for storage Hydrogen has been tested. Even at relatively high pressures during the Loading, however, were only relatively low storage densities achieved.

In Terrones, H. et al.: "Curved nanostructured Materials" in New J. Phys. 5 (2003) 126, PII: S1367-2630(03)65766-6 sind verschiedene gekrümmte Nanostrukturen, beispielsweise auf der Basis hexagonalen Kohlenstoffs, grundsätzlich beschrieben und Wege zu ihrer Herstellung aufgezeigt.In Terrones, H. et al .: "Curved nanostructured materials "in New J. Phys. 5 (2003) 126, PII: S1367-2630 (03) 65766-6 are various curved Nanostructures, for example based on hexagonal carbon, in principle described and ways for their production shown.

AUFGABE DER ERFINDUNGTASK OF THE INVENTION

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine räumliche Struktur aufzuzeigen, die grundsätzliche Vorteile für die Adsorption von chemischen Substanzen an ihre gekrümmte Oberfläche aufweist.It the object of the present invention is a spatial Structure, the fundamental Benefits for has the adsorption of chemical substances on their curved surface.

LÖSUNGSOLUTION

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine räumliche Struktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen dieser räumlichen Struktur sind in den Unteransprüchen 2 bis 10 sowie 12 bis 14 beschrieben. Der Unteranspruch 11 betrifft ein Schüttgut bestehend aus einer Vielzahl von nanoskaligen neuen räumlichen Strukturen, und der Unteranspruch 15 betrifft einen Wasserstoffspeicher mit mindestens einer neuen räumlichen Struktur.According to the invention this Task by a spatial Structure solved with the features of claim 1. preferred embodiments this spatial Structure are in the subclaims 2 to 10 and 12 to 14 described. The dependent claim 11 relates a bulk material consisting of a multitude of nanoscale new spatial Structures, and the dependent claim 15 relates to a hydrogen storage with at least one new spatial Structure.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION THE INVENTION

Die gekrümmte Oberfläche in Form eines Sattels, wobei hier die mathematisch-geometrische Definition eines solchen Sattels gemeint ist und der insbesondere durch eine Gaußsche Krümmung kleiner als null gekennzeichnet ist, weist eine besonders homogene Verteilung der Potenzialverhältnisse bei der Annäherung einer chemischen Substanz an die Oberfläche auf. Bei einem Sattel sind die Krümmungen der Oberfläche so gleichmäßig verteilt, dass es zu keinen Gebieten über der Oberfläche kommt, in denen sich stark abweichende Potenzialverhältnisse ergeben, wie beispielsweise an der inneren Spitze eines Nanocones. Gleichzeitig ist eine Oberfläche in Form eines Sattels auch überall gut zugänglich. Wenn nur ein Teilbereich dieser Oberfläche von der zu adsorbierenden chemischen Substanz erreicht werden kann, kann die chemische Substanz auch jeden anderen Teilbereich der sattelförmigen Oberfläche erreichen.The curved surface in the form of a saddle, here being the mathematical-geometric Definition of such a saddle is meant and in particular through a Gaussian curvature is less than zero, has a particularly homogeneous Distribution of potential relationships at the approach of one chemical substance to the surface. At a saddle are the bends the surface so evenly distributed, that there are no areas over the surface comes in which strongly divergent potential conditions arise, such as at the inner tip of a nanocone. At the same time is a surface in the form of a saddle everywhere easily accessible. If only a portion of this surface of the adsorbed chemical substance can be achieved, the chemical substance can reach every other part of the saddle-shaped surface.

Vorzugsweise weist der Sattel einen minimalen Krümmungsradius von mehr als 1 nm auf, besonders bevorzugt ist der minimale Krümmungsradius größer als 10 nm. Diese Grenze bedeutet auch eine Beschränkung der Größe des gesamten Sattels nach unten, die sicherstellt, dass die sattelförmige Oberfläche insgesamt für die adsorbierende chemische Substanz zu erreichen ist und sich nicht durch zu kleine Krümmungsradien des Sattels ein Potenzialverlauf für die Annäherung der chemischen Substanz an die Oberfläche ergibt, die einer solchen Annäherung bzw. einer damit verbundenen, insbesondere reversiblen Adsorption der Substanz an die Oberfläche grundsätzlich entgegensteht.Preferably the saddle has a minimum radius of curvature of more than 1 nm, more preferably, the minimum radius of curvature is greater than 10 nm. This limit also means a limitation on the size of the whole Saddle down, which ensures that the saddle-shaped surface in total for the adsorbing chemical substance is to be achieved and not too small radii of curvature of the saddle a potential course for the approach of the chemical substance to the surface which gives such an approximation or an associated, in particular reversible adsorption the substance to the surface in principle opposes.

Typische Abmessungen des Sattels liegen im Bereich einiger zig Nanometer bis einiger hundert Nanometer, wobei seine maximalen Abmessungen in der Regel nicht mehr als 1000 nm betragen.typical Dimensions of the saddle are in the range of a few tens of nanometers up to a few hundred nanometers, taking its maximum dimensions usually not more than 1000 nm.

Der Sattel, der von der gekrümmten Oberfläche der räumlichen Struktur beschrieben wird, kann ein hyperbolischer Paraboloid sein. Bevorzugt sind jedoch solche Sattel, bei denen es sich um Minimalflächen handelt, besonders bevorzugt sind Sattel in Form von Enneperschen Minimalflächen, bei denen der Sattel eine mittlere Krümmung von null aufweist.Of the Saddle coming from the curved surface the spatial Structure may be a hyperbolic paraboloid. However, preference is given to saddles which are minimal surfaces, Saddles in the form of minimal surface areas are particularly preferred where the saddle has a mean curvature of zero.

Wenn jede Oberfläche des Sattels eine Minimalfläche ist, erleichtert dies auch seine Herstellung, weil dies gleichbedeutend damit ist, dass der Sattel eine geometrische Gestalt minimaler Verformungsenergie aufweist, d.h. energetisch stabil ist. Der Sattel kann daher beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass eine ebene Ausgangsstruktur, wie beispielsweise eine hexagonale Anordnung von graphitischem Kohlenstoff deformiert wird, indem an definierten Stellen durch Einlagerung von Fremdatomen Spannungen eingebracht werden. Bei dem Bestreben der Struktur, diese Spannungen abzubauen, stellen sich die gewünschte gekrümmte Form des Sattels dann quasi automatisch ein.If every surface the saddle a minimal area This also facilitates its manufacture because this is synonymous with that, the saddle is a geometric shape of minimal strain energy has, i. is energetically stable. The saddle can therefore, for example be prepared by a flat starting structure, such as For example, a hexagonal array of graphitic carbon is deformed by placing at defined points by storage from foreign atoms tensions are introduced. In the endeavor The structure to break down these stresses, the desired curved shape of the saddle then almost automatically.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn der Sattel einen Symmetrieparameter s größer als 1 aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Symmetrieparameter s von 2.Furthermore it is preferred if the saddle has a symmetry parameter s greater than 1 has. Particularly preferred is a symmetry parameter s of Second

Die neue räumliche Struktur kann neben der einen oder auch mehreren zusammenhängenden sattelförmigen Oberflächen auch andere Oberflächen aufweisen. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass sie ausschließlich sattelförmige Oberflächen aufweist.The new spatial Structure may be adjacent to one or more contiguous saddle-shaped surfaces also other surfaces exhibit. However, it is particularly preferred that it has exclusively saddle-shaped surfaces.

Konkret kann es sich bei der neuen räumlichen Struktur um eine Nanostruktur handeln, die durch zwei komplementäre Oberflächen in Form eines Sattels begrenzt ist. Die Struktur selbst kann dabei aus einer atomaren Einzellage, beispielsweise aus graphitischem Kohlenstoff bestehen. Die räumliche Struktur kann aber auch aus anderen Substanzen, wie z.B. Zeolithen (Silikatmineralien), Bornitrid oder metallorganischen Komplexen bestehen. Dabei ist es aber in jedem Fall bevorzugt, wenn es sich um eine atomare oder zumindest molekulare Einzellage handelt. Die typische Anzahl der an dem Sattel beteiligten Atome liegt zwischen etwa 50 und einigen hundert.Concrete it may be at the new spatial Structure around a nanostructure acting through two complementary surfaces in Form of a saddle is limited. The structure itself can do this from an atomic single layer, for example from graphitic Consist of carbon. The spatial However, structure may also be made of other substances, e.g. zeolites (Silicate minerals), boron nitride or organometallic complexes consist. But it is in any case preferred if it is is an atomic or at least molecular single layer. The typical number of atoms involved in the saddle is in between about 50 and a few hundred.

Wenn die räumliche Struktur eine Nanostruktur ist, ist es bevorzugt, wenn sie nicht stapelbar ist. Dies verhindert beim Einsatz der räumlichen Struktur in einem Schüttgut bestehend aus einer Vielzahl von einzelnen räumlichen Strukturen, dass sich die Nanostrukturen so übereinander anordnen, dass durch einen sehr geringen Abstand ihrer Oberflächen ungünstige Potenzialverhältnisse für das Dazwischentreten der zu adsorbierenden chemischen Substanz entstehen.If the spatial Structure is a nanostructure, it is preferred if they are not is stackable. This prevents the use of spatial Structure in a bulk material consisting of a variety of individual spatial structures that are the nanostructures on top of each other arrange that by a very small distance of their surfaces unfavorable potential conditions for the Intermediate occur of the chemical substance to be adsorbed.

Die neue räumliche Struktur kann auch eine Vielzahl von ineinander übergehenden sattelförmigen Oberflächen aufweisen. Jede einzelne dieser Oberflächen weist die Form eines Sattels auf, und die einzelnen Oberflächen sind stetig ggf. unter Zwischenordnung von Übergangsbereichen miteinander verbunden.The new spatial Structure may also have a multiplicity of saddle-shaped surfaces merging with one another. Every single one of these surfaces has the shape of a saddle, and the individual surfaces are steadily possibly with the interposition of transition areas with each other connected.

Die räumliche Struktur mit einer Vielzahl von ineinander übergehenden sattelförmigen Oberflächen kann eine offenporige Schwammstruktur sein, wobei hiermit nicht auf die Verformbarkeit eines Schwamms sondern auf den Verlauf der Oberflächen seiner Poren abgestellt ist. Bei einer offenporigen Schwammstruktur sind aufgrund der Offenheit der Poren alle Oberflächen der räumlichen Struktur für die chemisch zu adsorbierende chemische Substanz leicht zu erreichen. Eine entsprechende Schwammstruktur ist beispielsweise durch Aushärten einer sogenannten Mikroemulsion ausbildbar. Hierbei handelt es sich um ein an sich bekanntes Verfahren, über das Informationen entnommen werden können aus S. Burauer: "Mikroemulsionen: Interne Grenzfläche und monomere Löslichkeit" Diplomarbeit, Universität Köln, 1997, und O. Lade: "Charakterisierung, Modellierung und Polymerisation von Mikroemulsionen aus Alkylmethacrylaten", Cuvillier Verlag, Göttingen 2001. An diesen Stellen finden sich auch Angaben zu weiteren Quellen. Die Charakterisierung der Grenzflächen von Mikroemulsionen als sattelförmige Flächen mit den für die neue räumliche Struktur charakteristischen Parametern ist auch T. Sottmann: "Mikroemulsionen: Eigenschaften von internen Grenzflächen", Dissertation, Universität Göttingen, 1997, zu entnehmen. Die Herstellbarkeit der sattelförmigen Nanostrukturen ist beispielsweise durch ein Zerkleinern einer ausgehärteten Mikroemulsion in kleinere Einheiten gegeben, die idealerweise jeweils einem Sattel entsprechen.The spatial Structure with a plurality of merging saddle-shaped surfaces can an open-pore sponge structure, whereby hereby not on the Deformability of a sponge but on the course of the surfaces of his Pores is turned off. With an open-pore sponge structure are due to the openness of the pores all surfaces of the spatial structure for the chemical easy to reach to adsorbing chemical substance. A corresponding Sponge structure is for example by curing a so-called microemulsion formable. This is a known method, over which Information can be taken from S. Burauer: "Microemulsions: Internal interface and monomeric solubility "Diploma thesis, University of Cologne, 1997, and O. Lade: "Characterization, Modeling and Polymerization of Microemulsions from Alkyl Methacrylates ", Cuvillier Verlag, Göttingen 2001. These sections also contain information on other sources. The characterization of the interfaces of microemulsions as saddle-shaped surfaces with the for the new spatial Structure characteristic parameters is also T. Sottmann: "Microemulsions: Properties of Internal Interfaces ", Dissertation, University of Göttingen, 1997, can be seen. The manufacturability of the saddle-shaped nanostructures is for example by crushing a cured microemulsion in smaller units, ideally one saddle each correspond.

Von der Vielzahl der Verwendungen der neuen räumlichen Struktur zum insbesondere reversiblen Adsorbieren von chemischen Substanzen ist diejenige von besonderer Bedeutung, bei der die reversible adsorbierte chemische Substanz Wasserstoff ist. Mit anderen Worten betrifft sie die vorliegende Erfindung in einer konkreten Ausführungsform einen Wasserstoffspeicher mit mindestens einer der voranstehend beschriebenen räumlichen Strukturen. Wenn die räumliche Struktur eine Nanostruktur ist, wird sie dabei in einer großen Anzahl eingesetzt werden.Of the large number of uses of the new spatial structure for the particular reversible adsorption of chemical substances is of particular importance in which the reversibly adsorbed chemical substance is hydrogen. In other words, it relates to the present invention in one concrete embodiment, a hydrogen storage with at least one of the above-described spatial structures. If the spatial structure is a nanostructure, it will be used in large numbers.

Neben der Speicherung von Wasserstoff ist die neue räumliche Struktur auch für andere Anwendungen geeignet, in denen chemische Substanzen zu adsorbieren sind. Dabei geht es sowohl um andere Speicheranwendungen als auch um Anwendungen, in denen die chemischen Substanzen dauerhaft, d.h. irreversibel, gebunden werden sollen, um beispielsweise ihre chemische Reaktivität herabzusetzen oder sie aus einer Strömung herauszufiltern.Next The storage of hydrogen is the new spatial structure also for others Applications suitable to adsorb chemical substances are. This is about other storage applications as well to applications in which the chemical substances are permanently, i. irreversible, bound to, for example, their chemical Reactivity to degrade or filter them out of a current.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.in the The invention is described below with reference to the figures preferred embodiments further explained and described.

1 zeigt den Verlauf der potentiellen Energie nach Lennard-Jones. 1 shows the course of the potential energy according to Lennard-Jones.

2 zeigt einen Sattel mit dem Symmetrieparameter s = 1. 2 shows a saddle with the symmetry parameter s = 1.

3 zeigt einen Sattel mit dem Symmetrieparameter s = 2. 3 shows a saddle with the symmetry parameter s = 2.

4 zeigt einen Sattel mit dem Symmetrieparameter s = 3. 4 shows a saddle with the symmetry parameter s = 3.

5 zeigt einen Sattel in Form eines hyperbolischen Paraboloids. 5 shows a saddle in the form of a hyperbolic paraboloid.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Einführungintroduction

Zur Beschreibung der physikalischen Adsorption von Gasen an Festkörperoberflächen hat sich das empirische Wechselwirkungspotenzial nach Lennard-Jones gemäß

Figure 00080001
mit den empirischen Größen ε (Tiefe der Potenzialmulde) und σ (Kollisionsabstand) bewährt. Der Vorteil dieser vereinfachenden Darstellung ist die Möglichkeit, das Wechselwirkungspotenzial für eine Mischung von Teilchen zu verallgemeinern. Während der erste Term in der linken Klammer die Abstoßung zwischen den abgeschlossenen Elektronenhüllen der Teilchen wiedergibt, beschreibt der zweite Ausdruck die Anziehung auf Grund der zwischenmolekularen Kräfte. Das Minimum der potenziellen Energie (Potenzialmulde) liegt bei diesem Modell stets bei
Figure 00080002
To describe the physical adsorption of gases on solid surfaces, the empirical interaction potential according to Lennard-Jones has been determined according to
Figure 00080001
proven with the empirical quantities ε (depth of potential well) and σ (collision distance). The advantage of this simplistic representation is the ability to generalize the interaction potential for a mixture of particles. While the first term in the left bracket represents the repulsion between the closed electron shells of the particles, the second term describes the attraction due to the intermolecular forces. The minimum of potential energy (potential well) is always included with this model
Figure 00080002

Dieser Gleichgewichtszustand befindet sich also bei einem Abstand, der lediglich etwas größer als der Kollisionsabstand ist.This Equilibrium state is thus at a distance that just a little bigger than the collision distance is.

Gute Lösungsansätze des Wasserstoff-Speicherproblems sollten daher die grundsätzliche und schnelle Erreichbarkeit der Potenzialmulde erlauben. Da die anziehenden Kräfte den negativen Gradienten des Potenzialfeldes entsprechen, der allerdings schon bei Werten r/σ > 2 vernachlässigbar klein wird, mussten Nanostrukturen gefunden werden, aus denen keine unnötigen Potenzialbarrieren für den Wasserstoff resultieren.Quality Solutions of the Hydrogen storage problems should therefore be the fundamental and allow quick access to the potential well. Because the attractive forces correspond to the negative gradient of the potential field, however even with values r / σ> 2 negligible becomes small, nanostructures had to be found, from which none unnecessary Potential barriers for the hydrogen result.

Die nachfolgend beschriebenen Nanostrukturen berücksichtigen diese Vorgabe, wobei das Ziel verfolgt wurde, eine größtmögliche Anzahl an „Andockstellen" für den Wasserstoff bereitzustellen. Dies kann grundsätzlich durch zwei Maßnahmen erreicht werden:

  • 1. Die Kohlenstoffatome werden derart angeordnet, dass ihre Modifikation eine maximale Oberfläche aufweist und gleichzeitig die Kohlenstoffmenge minimiert. Diese Maßnahme führt zwangsläufig zu einer Gewichtsersparnis und zu einer sehr effizienten Speicherfähigkeit.
  • 2. Die Kohlenstoffatome werden derart angeordnet, dass sich die Oberflächen der Molekülstrukturen nicht gegenseitig abdecken (wie z.B. bei Multi-Wall CNT) und der Wasserstoff durch die entstehende Potenzialbarriere nur unter Aufwendung zusätzlicher Energien und Kräfte (z.B. durch höhere Drücke) die inneren Flächen erreichen kann. Diese Maßnahme sollte zu einer Maximierung an „verfügbaren" Oberflächen und zu kurzen Beladungszeiten führen.
The nanostructures described below take this requirement into account, with the aim of providing the greatest possible number of "docking points" for the hydrogen, which can basically be achieved by two measures:
  • 1. The carbon atoms are arranged so that their modification has a maximum surface area while minimizing the amount of carbon. This measure inevitably leads to a Ge saving weight and a very efficient storage capacity.
  • 2. The carbon atoms are arranged in such a way that the surfaces of the molecular structures do not cover each other (as in Multi-Wall CNT) and the hydrogen reaches the inner surfaces through the resulting potential barrier only by using additional energies and forces (eg higher pressures) can. This measure should lead to a maximization of "available" surfaces and to short loading times.

Nanostruktur in Form eines Sattelsnanostructure in the form of a saddle

Eine räumliche Struktur, die die obigen Vorgaben erfüllt, ist ein Sattel im Nanomaßstab, der hier auch als Nanosattel bezeichnet wird und der in den 2 bis 5 in verschiedenen konkreten Ausführungsformen wiedergegeben ist.A spatial structure that meets the above requirements is a nanoscale saddle, also referred to as a nanosattel, that fits into the nano saddle 2 to 5 is reproduced in various concrete embodiments.

Ein Sattel ist eine Minimalfläche im differenzialgeometrischen Sinn, deren mittlere Krümmung verschwindet und deren Parameterform

Figure 00090001
lautet. Es handel sich hierbei um Ennepersche Minimalflächen, deren Symmetrieparameter s ist. Bei dem in 3 für s = 2 dargestellten Nanosattel haben die krummlinigen Parameter u und v beispielsweise die Werte u ∊ [0, 1.2], v ∊ [–π, π] A saddle is a minimal surface in the differential geometric sense whose mean curvature disappears and its parametric form
Figure 00090001
reads. These are Enneper minimal surfaces whose symmetry parameter is s. At the in 3 For nano saddles shown for s = 2, the curvilinear parameters u and v have the values, for example u ∈ [0, 1.2], v ε [-π, π]

Der Parameter v liefert die Vollständigkeit der Fläche vom Zentrum aus betrachtet. Mit dem Parameter u lässt sich der innere und äußere Rand der Fläche definieren. Mit umin = 0 liegt zentral kein Loch vor. Andernfalls handelt es sich um Streifen auf der Enneperschen Minimalfläche.The parameter v provides the completeness of the area from the center. The parameter u defines the inner and outer edges of the surface. With u min = 0 there is no central hole. Otherwise they are stripes on the minimal surface of Enneper.

Weitere Varianten der Nanostruktur in Form eines Sattels ergeben sich aus der Betrachtung hyperbolischer Paraboloide (vergleiche 5), die im Gegensatz zu Enneperschen Minimalflächen geradlinige Berandungen aufweisen und die der Parametrisierung x(u,v) = a·(u – v) y(u,v) = b·(u + v) z(u,v) = u·vgehorchen. Designparameter sind hier die Skalierungsvariablen a und b.Further variants of the nanostructure in the form of a saddle result from the consideration of hyperbolic paraboloids (cf. 5 ), which in contrast to Enneper 's minimal surfaces have straight edges and those of parametrization x (u, v) = a · (u - v) y (u, v) = b · (u + v) z (u, v) = u · v to obey. Design parameters here are the scaling variables a and b.

Die implizite Form des Sattels lautet

Figure 00100001
The implicit form of the saddle is
Figure 00100001

Die Geometrie des Sattels lässt sich auch mithilfe der Weierstrass-Parametrisierung darstellen:

Figure 00100002
mit der komplexen Variablen z := r·ej·ϕ,der analytischen Funktion f
Figure 00110001
und der meromorphen Funktion g
Figure 00110002
The geometry of the saddle can also be displayed using the Weierstrass parameterization:
Figure 00100002
with the complex variable z: = r · e j · φ . the analytic function f
Figure 00110001
and the meromorphic function g
Figure 00110002

Mit den Wertebereichen r ∊ [0, 1] und ϕ ∊ [–π, π] lautet die Darstellung folglich

Figure 00110003
With the value ranges r ε [0, 1] and φ ε [-π, π] the representation is consequently
Figure 00110003

Wird die komplexe Variable gemäß z := α+ j·βmit den geradlinigen Parametern α (Realteil, z.B. α ∊ [–1, 1]) und β (Imaginärteil, z.B. β ∊ [–1, 1]) substituiert, gehorchen der Sattel der Darstellung

Figure 00110004
Will the complex variable according to z: = α + j · β With the linear parameters α (real part, eg α ε [-1, 1]) and β (imaginary part, eg β ε [-1, 1]) substituted, the saddle obeys the representation
Figure 00110004

Der erfindungsgemäße Sattel besitzt die Hauptkrümmungen

Figure 00120001
die stets negative Gaußsche Krümmung
Figure 00120002
und die mittlere Krümmung H = 12 1+ κ2) = 0. The saddle according to the invention has the main curvatures
Figure 00120001
the always negative Gaussian curvature
Figure 00120002
and the mean curvature H = 1 2 1 + κ 2 ) = 0.

Ein differenzielles Flächenelement des Sattel ist durch dA = (1 + α2 + β2)dα∧dβgegeben. Mit den Wertebereichen α ∊ [αmin, αmax] β ∊ [βmin, βmax] ergibt sich der (einseitige) Flächeninhalt

Figure 00120003
A differential surface element of the saddle is through dA = (1 + α 2 + β 2 ) dα∧dβ given. The value ranges α ε [α min , α max ] β ε [β min , β max ] result in the (one-sided) surface area
Figure 00120003

Diese Fläche steht dem Wasserstoff (zumindest einseitig) zum „Andocken" zur Verfügung.These area is the hydrogen (at least one side) for "docking" available.

Der Sattel erfüllen daher als Minimalflächen die d'Alembert'sche Differenzialgleichung y = x·f(y')+ g(y')mit den gegebenen Funktionen f und g bzw. die Lagrange'sche Diffentialgleichung (1 + fv 2)·fuu + 2·fufvfuv + (1 + fu 2)·fvv = 0. The saddle therefore fulfills as minimal surfaces the d'Alembert differential equation y = x · f (y ') + g (y') with the given functions f and g or the Lagrangian differential equation (1 + f v 2 ) · F uu + 2 · f u f v f uv + (1 + f u 2 ) · F vv = 0.

Der Sattel kann demnach auch als eine Fläche charakterisiert werden, die eine spezielle Lösung für vorgegebene Randbedingungen ist (Plateausches Problem).Of the Saddle can therefore also be characterized as an area the one special solution for given Boundary conditions is (plateausches problem).

Bei einer Nanostruktur in Form eines Sattels sind ausschließlich offene, für die Wasserstoffatome leicht zugängliche Oberflächen realisiert, die nicht einander schneiden, solange der Designparameter u klein genug bleibt. Die mittlere Krümmung ist null, was letztlich auf ein geringes Leistungsgewicht schließen lässt. Ist der ganzzahlige Symmetrieparameter s = 1 (vergleiche 6), nimmt die Minimalfläche eine Form an, bei der sich mehrere Nanostrukturen gegenseitig abdecken können, ähnlich sogenannter "Chipsletten" in ihrer Verpackung. Für diesen Fall sind folglich unerwünschte Potenzialbarrieren hinsichtlich der Anlagerung des Wasserstoffs an die Kohlenstoffatome zu erwarten. Für alle Symmetriewerte s ≥ 2 (vergleiche die 3 und 4) können sich die Oberflächen der einzelnen Komponenten jedoch nicht mehr gegenseitig abdecken.In the case of a nanostructure in the form of a saddle, only open surfaces that are easily accessible to the hydrogen atoms are realized, which do not intersect each other, as long as the design parameter u remains small enough. The mean curvature is zero, which ultimately suggests a low power-to-weight ratio. If the integer symmetry parameter s = 1 (cf. 6 ), the minimal surface takes on a shape in which several nanostructures can cover each other, similar to so-called "crisps" in their packaging. Consequently, undesirable potential barriers with regard to the addition of hydrogen to the carbon atoms are to be expected for this case. For all symmetry values s ≥ 2 (compare the 3 and 4 ), however, the surfaces of the individual components can no longer cover each other.

Der erfindungsgemäße Nanosattel besteht in der Fläche vorzugsweise aus einer durch den Einbau von Fremdatomen verspannten und dadurch räumlich deformierten Monolage aus graphitischem Kohlenstoff; er kann aber auch auf anderen geeigneten Substanzen aufbauen, z.B. auf Zeolithen (Silikatmineralien), Bornitrid oder aus MOF's.Of the nanosattel according to the invention exists in the area preferably from a strained by the incorporation of impurities and thereby spatially deformed monolayer of graphitic carbon; but he can also build on other suitable substances, e.g. on zeolites (Silicate minerals), boron nitride or from MOF's.

Aufgrund ihrer besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, die durch ihre geometrische Gestalt bedingt sind, ergeben sich neben der Speicherung von Wasserstoff und von anderen gasförmigen Substanzen auch die Möglichkeiten, mit der neuen Nanostruktur in Form eines Sattels

  • – Medikamentwirkstoffe zu transportieren oder
  • – Chemikalien zu binden bzw. chemische Reaktivitäten herabzusetzen oder
  • – Katalysatoren zu miniaturisieren.
Due to their special physical and chemical properties, which are due to their geometric shape, in addition to the storage of hydrogen and other gaseous substances, the possibilities arise with the new nanostructure in the form of a saddle
  • - to transport drug substances or
  • - to bind chemicals or reduce chemical reactivities or
  • - miniaturizing catalysts.

Die für einen geometrischen Sattel, der durch zwei komplementäre Oberflächen in Form eines Sattels begrenzt wird, beschriebenen Eigenschaften sind auch bei räumlichen Strukturen gegeben, die eine oder mehrere Oberflächen in Form eines Nanosattels aufweisen.The for one geometric saddle bounded by two complementary surfaces in the form of a saddle is described, properties are also spatial Given structures containing one or more surfaces in the form of a nanosattel exhibit.

Claims (13)

Räumliche Struktur für das Adsorbieren chemischer Substanzen, die mindestens eine gekrümmte Oberfläche mit einem maximalen Krümmungsradius von 1000 nm aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche die Form eines Sattels mit einer Gaußschen Krümmung kleiner als null aufweist.Spatial structure for the adsorption of chemical substances, which has at least one curved surface with a maximum radius of curvature of 1000 nm, characterized in that the surface has the shape of a saddle with a Gaussian curvature of less than zero. Räumliche Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel einen minimalen Krümmungsradius von x nm aufweist.spatial Structure according to claim 1, characterized in that the saddle a minimum radius of curvature of x nm. Räumliche Struktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel von einer atomaren Einzellage ausgebildet ist, an deren Rückseite die räumliche Struktur eine weitere sattelförmige Oberfläche aufweist.spatial Structure according to claim 1 or 2, characterized in that the Saddle is formed by a single atomic layer, at the back the spatial Structure another saddle-shaped Surface has. Räumliche Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel ein hyperbolischer Paraboloid ist.Spatial structure according to one of claims 1 to 3, characterized in that the saddle is a hy is perbolic paraboloid. Räumliche Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel eine Minimalfläche ist.spatial Structure according to one of the claims 1 to 3, characterized in that the saddle is a minimal surface. Räumliche Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel eine mittlere Krümmung von null aufweist.spatial Structure according to claim 5, characterized in that the saddle a mean curvature of has zero. Räumliche Struktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sattel einen Symmetrieparameter s größer als 1 aufweist.spatial Structure according to claim 5 or 6, characterized in that the Saddle has a symmetry parameter s greater than 1. Räumliche Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausschließlich sattelförmige Oberflächen aufweist.spatial Structure according to one of the claims 1 to 7, characterized in that it has exclusively saddle-shaped surfaces. Räumliche Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Nanostruktur ist, die durch zwei komplementäre Oberflächen in Form eines Sattels begrenzt ist.spatial Structure according to claim 8, characterized in that it has a Nanostructure is through two complementary surfaces in the form of a saddle is limited. Schüttgut bestehenden aus einer Vielzahl von räumlichen Strukturen nach Anspruch 9 oder 10.bulk existing from a variety of spatial structures according to claim 9 or 10. Räumliche Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vielzahl von ineinander übergehenden sattelförmigen Oberflächen aufweist.spatial Structure according to one of the claims 1 to 8, characterized in that they have a plurality of merge into one another saddle-shaped surfaces having. Räumliche Struktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine offenporige Schwammstruktur aufweist.spatial Structure according to claim 11, characterized in that it has a having open-porous sponge structure. Wasserstoffspeicher mit mindestens einer räumlichen Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 11 und 12.Hydrogen storage with at least one spatial Structure according to one of the claims 1 to 9 or 11 and 12.
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Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Barborini et al.:"Negatively curved spongy carbon" in Applied Physics Letters, 2002, Vol. 81, Nr. 18, S. 3359-3361
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Terrones et al:"Curved nanostructured materials" in New Journal of Physics, 2003, Vol. 5, S. 126.1- 126.37
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Wu et al.:"Simulation Study of Hydrogen Storage in Two Kinds of Y-junction Carbon Nanotubes" Confe- rence Proceedings Article, IEEE-NANO 2003, Third IEEE Conference on 12.-14. Aug. 2003, Piscataway, NJ, USA, Vol. 2, S. 678-681
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8130 Withdrawal