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WO2019007707A1 - Process for producing omniphobic surfaces - Google Patents

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WO2019007707A1
WO2019007707A1 PCT/EP2018/066730 EP2018066730W WO2019007707A1 WO 2019007707 A1 WO2019007707 A1 WO 2019007707A1 EP 2018066730 W EP2018066730 W EP 2018066730W WO 2019007707 A1 WO2019007707 A1 WO 2019007707A1
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WO
WIPO (PCT)
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compound
metal ion
component
linker
electrolyte solution
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/066730
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German (de)
French (fr)
Inventor
Michael Beckmann
Jakob SABLOWSKI
Simon Unz
Julia LINNEMANN
Lars Giebeler
Original Assignee
Technische Universität Dresden
Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Dresden, Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. filed Critical Technische Universität Dresden
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    • F28F2245/04Coatings; Surface treatments hydrophobic

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an omniphobic surface coating on components, the surface coating as such and their use in heat exchangers.
  • Condensation in heat exchangers is widely used in the efficient use of waste heat from industrial plants, with z.
  • the condensation of the water vapor on the surface of the heat exchanger can take place with formation of a closed, coherent film (film condensation), which forms on the surface. But it can also be done as a drop condensation, in which the surface is wetted by spatially separated from each other drops.
  • this can be achieved for example by a hydrophobic functionalization of the heat exchanger surface.
  • the chemical and physical properties of the surface are changed so that it has the lowest possible wettability to water and thus large water contact angle.
  • Such surfaces have a medium or low surface energy.
  • nonpolar molecules are bound to the surface by means of coating methods (see, inter alia, G. Koch, DC Zhang, A. Leipertz, M. Grischke, K. Trojan, and H. Dimigen, "Study on plasma J. Heat Mass Transfer, Vol. 41, No. 13, pp. 1899-1906, 1998, G. Koch, K. Kraft, and A. Leipertz, " Parameter study on the Performance of dropwise condensation ", Rev. Gen. Therm., Vol. 37, No. 7, p. 539- 548, 1998; G. Koch, DC Zhang, and A. Leipertz, "Condensation of Steam on the Surface of Hard Coated Copper Discs," Int. J.
  • droplet condensation can be implemented by implanting atoms into the surface layer of the materials (see A. Bani Kananeh, MH Rausch, AP Froeba, and A. Leipertz, "Experimental study of dropwise condensation on plasma-ion implanted stainless steel tubes", J. Heat Mass Transfer, Vol. 49, No. 25-26, pp. 5018-5026, 2006 and MH Rausch, AP Froeba, and A. Leipertz, "Dropwise condensation heat transfer on ion-implanted aluminum surfaces", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 51, No. 5-6, pp. 1061-1070, 2008).
  • the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology (see Figure 8).
  • savings of 20% to 30% of the heat transfer surface in comparison to film condensation can be achieved by water cooling and the used isobutane refrigerant by tripling the refrigerant side heat transfer by means of drop condensation.
  • This allows the construction of very compact and weight-saving apparatus and a lower material usage. In this way, if the coating technologies are integrated in line with the market, the manufacturing costs for the apparatuses can also be reduced.
  • the relevant fluids from the group of refrigerants and solvents have as a common feature a significantly lower surface tension ⁇ _ ⁇ than water. Usually this is ⁇ 50 mN / m, often even ⁇ 30 mN / m.
  • the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology. It is known that by combining a suitable surface morphology and impregnation of the surface with a suitable low surface energy lubricant, omniphobic surfaces can be produced. Recent studies show that surface hierarchical structuring (micrometer-scale patterning with additional roughness on the nanometer scale) is one way to minimize the adhesion of condensate droplets to the surface while increasing the durability of the impregnation.
  • MOFs metal-organic frameworks
  • MOFs are structurally based pores at the molecular level and a correspondingly high porosity and surface area.
  • MOFs are also characterized by high stability or insolubility in almost all solvents and temperature resistance of up to 350 ° C. So far, applications in the field of catalysis, gas storage and purification as well as analytics have been known for MOF (AU Czaja, N. Trukhan, and U. Müller, “Industrial applications of metal-organic frameworks", Chem. Soc. Rev., Vol 38, No. 5, pp. 1284-1293, 2009.) Schüth, F., Chemie Ingenieurtechnik, Vol. 82, No. 6 769-777, 2010, gives an overview of porous materials, which are particularly distinguished by their Among other things, MOFs are described which have a significantly larger pore size than zeolites and show pore sizes in the mesopore range
  • MOF layers can also be grown by low-cost industrially scalable electrochemical methods, wherein MOF synthesis and coating are realized directly in one step. Crystallite sizes and spacings and the associated layer thickness and surface morphology are controllable.
  • Hartmann et al., Langmuir 2008, 24, 8643-8642 describes the preparation of copper-based MOFs, i.a. by means of electrochemical reaction.
  • the linker molecule is initially introduced into the electrolyte and the MOF compound is prepared by electrolysis using copper electrodes.
  • Campagnol et al. published for the first time studies on the mechanism of anodic deposition of organometallic skeletons. (Campagnol N., TRC van Assche, M. Li, L. Stappers, M. Dinca, JFM Denayer, K. Binnemans, DE De Vos and J. Fransaer, "On the electrochemical deposition of metal-organic frameworks", J. Mater. Chem. A, Vol. 4, No. 10, pp. 3914-3925, 2016).
  • the formation of the condensate film can be prevented by additionally impregnating the micro- and nanostructured surfaces with an oil or lubricant.
  • US 2013/02208/13 A1 describes a process for producing impregnated micro / nano-structured surfaces for improving the dropwise condensation of water or Low surface tension solvents.
  • microstructured or nanostructured silicon substrates are covered with oil-based or water-based or ionic liquids or perfluoroalkylated silanes, resulting in superhydrophobic surfaces which allow the condensate to drop without the impregnating agent being washed out or replaced by the condensate.
  • US Pat. No. 9,121,307 B2 likewise discloses a method for producing SLIPS.
  • This metal, glass or polymer substrates are used, the surface of which are rough or porous designed by means of attachment of fibers or particles or electrochemical deposition of polymers.
  • the sequential deposition of nanoparticles or microparticles on the substrates also leads to sufficiently structured surfaces.
  • the surface thus structured is chemically functionalized with, for example, a perfluorocarbon oil and then covered with a hydrophobic lubricant consisting of liquids which have a high affinity to the underlying surface in order to immobilize the lubricant.
  • the surfaces produced in this way have high phobicity against various types of gases and liquids.
  • WO 2012 100 099 A2 likewise discloses the representation of SLIPS, wherein an impregnating agent is applied to a rough surface of a substrate, penetrating into and simultaneously covering it. In the process, a liquid outer layer or film is formed on the surface, which is immobilized by the substrate and forms, for example, a repellent surface.
  • the material of the substrate is preferably porous and may be a polymer, metal, gemstone, glass, carbon or a ceramic.
  • This rough surface is over for example Etching processes or growth of structures generated
  • the rough surface can have a hierarchical structure with micro- and nanoscale structures.
  • perfluorinated liquids are disclosed as impregnating agents. It is important that the rough surface and the applied impregnating agent are of the same chemical nature. It would even be optimal if both the surface and the impregnating agent have the same functional groups. To enable this compatibility, the surfaces of the porous material are first modified. For example, it describes how the OH groups of the surfaces can be functionalized with perfluorosilanes.
  • the impregnation of nanostructured surfaces with fluorine-containing impregnating agents represents an attractive procedure for efficient droplet condensation of fluids with a surface tension of ⁇ 20 mN / m.
  • impregnated porous condenser surfaces which enable efficient dropwise condensation.
  • metal substrates are first subjected to a wet-chemical etching and pickling process in order to make the surface porous.
  • a hydrophobic impregnating agent such as oleic acid
  • the pores form a kind of reservoir for the impregnating agent, so that it can be repeatedly transported by capillary forces to the surface of the substrate in order to replace any impregnating agent which has been removed with the water vapor. This ensures a constant hydrophobicity of the surface.
  • the etching and pickling process is carried out using chromosulfuric acid, a process technology extremely problematic chemical.
  • MOFs the metal ions can be multi-dimensionally linked via organic linker molecules.
  • these linker molecules may have multiple coordinating functional groups (S. Bauer and N. Stock, "MOFs-Metal Organic Scaffolds, Functional Porous Materials," Chemistry in Our Time, Vol. 42, No. 1, pp. 12-19, 2008). Due to the coordinative bonding and the organic molecules in the structure, MOFs tend to have moderate surface energies, but modifying the linkers, such as the introduction of ring substituents in aromatic systems, allows the physicochemical properties of MOF to be adapted to individual applications ( TK Maji and S. Kitagawa, Chemistry of porous coordination polymers, Pure Appl. Chem., Vol. 79, No. 12, pp. 2155-2177, 2007).
  • the (super) hydrophobic properties of the MOF powders are achieved by pre- or postsynthetic functionalization of the linker molecules or impregnation.
  • the hydrophobicity is additionally promoted by size differences of microfluidic MOF particles.
  • liquids with low surface tension eg conventional refrigerants and solvents
  • previous (super) hydrophobic MOF coatings are not repellent, but even complete wetting occurs.
  • the surfaces would be "flooded” by the condensate in the condensation by nucleation within the porous surface structures and it would come to film condensation.
  • lubricant-impregnated surfaces on the other hand, droplet condensation of fluids with low surface tension is possible.
  • these have so far been only complicated, z. B. photolithographic nanostructuring processes.
  • the coatings applied in this way have low mechanical stability.
  • the lubricants are partially removed from the photolithographically structured surface again by the condensing liquids or washed out.
  • coating processes for complex components are not possible with these processes.
  • the object of the invention is to provide a simple process for the production of stable, omniphobic surface coatings which, inter alia, enable efficient dropwise condensation of organic and / or anhydrous fluids with a low surface tension.
  • the object is achieved by a method for coating components with an omniphobic surface coating, containing at least one organometallic skeleton compound and an impregnating agent, with the steps
  • ii) is generated by electrolytic oxidation or reduction of a contained in the component and / or electrode metal ion precursor at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution and wherein the component a) is simultaneously electrode
  • linker compound is an organic, at least monodentate compound, wherein the impregnating agent has a low surface tension of ⁇ 30 mN / m.
  • the preparation of the omniphobic surface coating on the component is carried out according to the invention by electrochemical deposition of a layer of at least one organometallic (framework) compound and subsequent application of an impregnating agent.
  • the electrochemical deposition of the organometallic (framework) compound takes place on the surface of the component.
  • At least one constituent of the MOF coating (linker compound and / or metal ion) must be formed at the interface between the component and the electrolyte solution in order to initiate the coating process.
  • the electrochemical deposition takes place potentiostatically, galvanostatically and / or with current and / or voltage pulses. Potentiostatic and galvanostatic process control are preferred for homogeneous coatings. Pulsed process control is preferably used for structured coatings in which spacings of several microns are produced between coated areas.
  • the component is either immersed in an electrolyte solution and / or filled with an electrolyte solution.
  • the electrolyte solution contains at least one linker compound and a solvent.
  • Organometallic framework compounds are formed from metal ions and organic molecules (linker compounds) which act as connecting elements between the metal ions which form nodes.
  • the linker compounds enter into coordinative bonds with the metal ion and one-, two- and three-dimensional networks can be formed.
  • the linker compound is an at least monodentate organic compound or a mixture of several of these compounds.
  • At least monodentate organic compound refers to an organic compound containing at least one functional group capable of forming at least one coordinate bond with a given metal ion.
  • complex compounds are also referred to as organometallic framework compounds in which the organic linker molecules contain only one functional group which is capable of coordinating with a metal ion or which coordinate with only one functional group on the metal ion.
  • a scaffold can nevertheless arise because two linker molecules can be linked to one another, for example by hydrogen bonding. These two monodentate linkers then form a coordination unit, which in effect works like a bidentate linker compound.
  • the organic, at least monodentate compound contains at least one functional group selected from carboxylate groups, sulfonate groups, phosphonate groups, imidazolate groups, pyridine groups, phenanthroline groups, triazolate groups and / or tetrazolate groups.
  • the linker compound is an imidazolate.
  • the linker compound is selected from 1 .4-Benzene dicarboxylates (BDC)
  • DMBDC 2.5-dimethoxy-1,4-benzene dicarboxylate
  • BHC benzene hexacarboxylate
  • Anthraquinone-2,6-disulfonates (AQDS) 4,4 '-Oxybenzoaten (OBA)
  • Cis-1 3,5-cyclohexanetricarboxylic acids (CTC)
  • H2P enDCA 1, 1 '-Phenanthroline-2,9-dicarboxylic acids
  • H3PPA Phosphonoacetic acids
  • H3TPO Tris (4-carboxyphenyl) phosphine oxides
  • the linker compound is formed during the electrolysis of at least one linker precursor compound.
  • a linker precursor compound is a compound from which the corresponding linker compound is generated in situ by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction. This can be done for example by electrolytic or electrolytically induced substitution, addition, reduction, cleavage, ring closure reaction, ring-opening reaction, deprotonation, proton transfer and / or radical reaction.
  • the linker precursor compound is selected from the free acids or anhydrides of the linker compound.
  • the linker precursor compounds for the linker compounds imidazolates, triazolates and tetrazolates are each their corresponding imidazoles, triazoles or tetrazoles.
  • the total concentration of the linker compound and / or linker precursor compound in the electrolytic solution is from 0.001 mol / l to 2.500 mol / l, preferably from 0.01 mol / l to 1.5 mol / l, particularly preferably from 0.01 mol / l to 0 , 5 mol / l.
  • the electrochemical reaction of at least one component of the electrolyte solution during the electrolysis triggers the chemical reaction to form the linker compound from the linker precursor compound.
  • Component of the electrolyte solution are, for example, metal ion salt, conductive salt, solvent and / or structure-directing additive.
  • the pH can change so much that z.
  • acid groups are deprotonated and, for example, arise from the free carboxylic acids, the linker carboxylates.
  • the deprotonation of acid or imidazole groups takes place by changing the pH, for example by water decomposition during the electrolysis.
  • the electrolyte solution contains at least one solvent.
  • solvent comprises pure solvents which comprise only one solvent component and also solvent mixtures, that is to say mixtures of at least two solvent components.
  • the solvent is selected from water; Alcohols, carboxylic acids, nitriles, ketones, halogenated alkanes, acid amides, amines, sulfoxides, pyridine, N-formylamides, N-acylamides, aliphatic ethers and / or cyclic ethers and / or mixtures thereof.
  • solvent molecules simultaneously function as linker precursor compounds.
  • the electrolyte solution additionally contains a conductive salt and / or structure-directing additive.
  • Conducting salt or conductive additive refers to compounds which increase the conductivity of the electrolyte solution in order to influence the homogeneity of the electrodeposited coating.
  • the conductivity of the electrolyte solution By increasing the conductivity of the electrolyte solution, the ohmic resistance is lowered during the deposition, which results in the electric field being more homogeneous. This leads to a more uniform (spatial) distribution of the dissolution stream and thus to a deposited coating, which is more uniformly structured, especially with regard to the layer thickness.
  • a conductive salt is understood as meaning a mixture of a plurality of conductive salts.
  • the conductive salt is selected from organic and / or inorganic salts.
  • the organic salt is selected from organic sulfates, sulfonates, borates, phosphates, phosphonates, carboxylates and / or ammonium salts.
  • the ammonium salts are selected from ammonium surfactant salts.
  • Ammonium surfactant in the context of the invention are salts containing quaternary ammonium ions NR 4 + , wherein R is selected from H and / or AI alkyl, wherein all R may be the same or different and wherein at least one radical R contains at least 2 C-atoms.
  • the ammonium salts are selected from ammonium surfactant methylsulfates, preferably methyltributylammonium methylsulfate, ammonium hydroxides, preferably tetrabutylammonium hydroxide, ammonium surfactant tetrafluoroborates, preferably tetrabutylammonium tetrafluoroborate and ammonium surfactant hexafluorophosphates, preferably tetrabutylammonium hexafluorophosphate.
  • the carboxylates are selected from acetates and / or oxalates.
  • the inorganic salt is selected from nitrates, nitrites, sulfates, sulfites, disulfites, sulfides, carbonates, bicarbonates, phosphates, hydrogen phosphates, dihydrogen phosphates, pyrophosphates, chromates, cyanogen salts, hydroxides, chlorides, perchlorates, chlorates, bromides, bromates, tetrafluoroborates , iodides, iodates and / or fluorides, preferably nitrates and / or sulfates.
  • the concentration of the conductive salt in the electrolytic solution is 0.01 mol / l to 2.00 mol / l, preferably 0.05 mol / l to 0.5 mol / l.
  • the electrolyte solution additionally contains a structure-directing additive.
  • Structurally-conducting additives are compounds which temporarily or permanently cause or direct structuring of a compound in a specific spatial manner. Temporally means that the directing molecule is not incorporated into the structure and this z. B. by washing with a solvent after the reaction leaves again but the structure formed is maintained. Unlimited in time means that the directing molecule either becomes part of the new structure or else remains as an independent molecule in the structure, for. B. in a pore, in a porous material.
  • a structure-directing additive is also understood to mean a mixture of several structure-directing additives.
  • the structure-directing additives are selected from anionic, cationic and / or neutral surfactants.
  • the structure-directing additives are selected from imidazoles, pyridines, acetates, oxalates, citrates, lauryl sulfates, organic ammonium salts, preferably from imidazoles and ammonium salts.
  • the electrolyte solution contains at least one metal ion.
  • this is the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound or a mixture of several different metal ions.
  • the at least one metal ion for synthesis of the organometallic framework compound is selected from Cu + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Al 3+ , Mg 2+ , Ti 4+ , Ti 3+ , Zr 4 *, Mn 3+ , Mn 4+ , Cr 3 ", V 2+ , V 3+ , V 4+ , Mo 3+ , W 3+ , Ni 2+ , ⁇ , Ag + , Au + , Sn 2+ , Sn 4+ , Si 2+ , Si 4+ , Pb 2+ , Pb 4+ and / or Zn 2+ , preferably Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Al 3+ and / or Zn 2+ .
  • the at least one metal ion is dissolved either i) as the metal ion salt in the electrolytic solution
  • Metal ion precursor denotes the compound in which the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound, in particular chemically bonded, is present.
  • the metal ion precursor therefore contains the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound in-in particular chemically-bonded form, which does not yet have the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF.
  • the metal ion is provided in the electrolytic solution.
  • the metal ion precursor according to the invention is contained in the component and / or electrode. If, for example, one wishes to produce a MOF coating with Mn 2+ as metal ion, the component and / or the electrode may contain manganese as metal or manganese oxide (eg MnO 2 or ⁇ 3 ⁇ 4 ) as metal ion precursor.
  • the component and / or the electrode may contain manganese as metal or manganese oxide (eg MnO 2 or ⁇ 3 ⁇ 4 ) as metal ion precursor.
  • Manganese oxides such as MnÜ2 or Mn30 4 would be reduced (cathodically) (Mn 4+ to Mn 2+ and Mn 3+ to Mn 2+, respectively).
  • the at least one metal ion in variant i) is dissolved in the electrolyte solution as metal ion salt.
  • the metal ion then already has the necessary for the synthesis of MOF oxidation state.
  • the linker compound is electrolytically or electrochemically induced from a linker precursor compound at the interface between the device and the electrode.
  • the linker compound in the electrolyte solution is generated in-situ from the corresponding linker precursor compound (s) at the interface between the component and electrolyte solution by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction.
  • the at least one metal ion may be an electrolyte component present in the form of a corresponding metal ion salt, that is to say may be present dissolved in the electrolyte solution. Then the metal ion already has the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF.
  • a metal salt containing a metal ion in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF is dissolved directly in the electrolyte solution.
  • the concentration of the metal ion salt or a mixture of a plurality of metal ion salts in the electrolytic solution is 0.005 mol / l to 1 mol / l, preferably 0.05 mol / l to 0.1 mol / l.
  • At least one metal ion salt and at least one linker precursor compound in the electrolyte solution are initially introduced for coating the component
  • the metal ion in the electrolytic solution is generated by reacting metal ion precursors contained in at least one of the non-constituent electrodes electrolytically induced to the metal ion and providing them in the electrolytic solution. The metal ion is then also present in the necessary for the synthesis of MOF oxidation state in the electrolyte solution.
  • linker compound in the electrolyte solution by in situ from the / the electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction corresponding linker precursor compound (s) are generated at the interface between the component and the electrolyte solution.
  • At least one component of the MOF coating (metal ion or linker compound) must be formed at the interface between the component and the electrolyte solution to ensure the coating process. This formation of the constituent is triggered electrolytically or electrochemically.
  • the MOF metal ion is electrolytically generated from a metal ion precursor and / or the linker compound is formed at the interface by electrolysis from a linker precursor compound.
  • the formation of the MOF thus takes place in each case due to an electrochemical reaction on the component or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction on the component.
  • the electrochemical reaction is triggered and controlled by applying an electric field to the device (device connected as an electrode) or placing the device in an electric field (device not connected as an electrode).
  • metal ions and linker compounds present in the electrolytic solution already form MOF crystal building units (ie, smaller particles) in the solution, some of which are integrated into the growing coating at the interface.
  • MOF crystal building units ie, smaller particles
  • a metal ion precursor and / or a linker precursor compound must still be available to the system.
  • the at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution.
  • the component is either a) simultaneously electrode or b) is introduced into an electric field between two electrodes.
  • the component is simultaneously electrode. This means that at least one of the electrodes required for the electrolysis is then represented by the component.
  • the component is simultaneously metal ion precursor-containing electrode and the metal ion comes directly from the surface of the component to be coated.
  • the device includes at least one metal ion precursor-containing material selected from pure metal and / or metal alloys, such as brass, bronzes, german silver, steels, inconel, hastelloy, monel, titanium alloy, duralumin, etc., and / or metal compounds, for example Metal oxides and / or hydroxides.
  • the metal is preferably selected from Cu, Fe, Al and / or Zn.
  • the metal oxides and / or hydroxides are preferably selected from Cu 2 O, CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Al 2 O 3, Al (OH) 3 and / or ZnO.
  • the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing a metal ion precursor, wherein this coating is selected from metals and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides.
  • the metal ion precursor-containing coating is a coating containing metal, wherein the metal is selected from Cu, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Zr, Mn, Cr, V, Mo, W, Ni, Ag, Au, Sn , Si, Pb and / or Zn, preferably Cu, Fe, Al and / or Zn.
  • the metal ion precursor-containing coating is a coating containing metal oxides and / or hydroxides selected, for example, from US Pat. B. from Al2O3, (Al (OH) 3 , Cu 2 0, CuO, Cu (OH) 2 , Fe 3 0 4 , Fe 2 0 3 , FeO (OH) Co 3 0 4 , CoOOH, Co (OH).
  • the metal ion-containing coating is a coating containing a metal alloy.
  • the metal alloy is selected from brass, bronzes, german silver, steels, inconel, hastelloy, monel, titanium alloy, and / or duralumin.
  • the carrier material is selected from electrically conductive polymers, carbons, such as. As graphite, carbon fibers, carbon nanotubes or other carbon allotropes.
  • the support material is provided with a coating containing a metal ion precursor.
  • the metal ion can be generated electrolytically by oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution, wherein the component is connected as an electrode.
  • the component is connected during the electrochemical deposition as a metal ion generating electrode.
  • the device is connected as an anode during the electrochemical deposition.
  • the metal ion precursor or metal ion precursor compound contained in the component is then oxidized anodically and the metal ion passes into the electrolyte solution.
  • the linker compound also present in the electrolytic solution, the formation and electrochemical deposition of the organometallic skeleton compound takes place on the component.
  • the device In electrochemical deposition, where the device functions as a metal ion-generating anode, the device contains metal ion precursors of lower oxidation state than the metal ion of the resulting organometallic framework compound.
  • the component In the electrochemical deposition, in which the component acts as an anode, the component is connected as an anode.
  • a voltage By applying a voltage, metal ion precursors contained in the surface or uppermost layer of the component to be coated are anodically oxidized and the electrolyte solution is thus supplied with the metal ion on the component. There, the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to the organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
  • the voltage during the electrochemical deposition in variant a) is 0.2 to 40 V, or -10 to 10 V relative to a mercury sulfate reference electrode, preferably -2.5 to 1 V with respect to a mercury / mercury sulfate reference electrode.
  • the deposition of the MOF is operated until the layer thickness of the MOF 0.1 to 1000 ⁇ , preferably 1 to 100 ⁇ , more preferably 2 to 20 ⁇ , in particular 3 to 10 ⁇ .
  • the determination of the layer thickness is carried out by means of scanning electron microscopy and light microscopy.
  • the duration of the electrolysis is 30 s to 5 h, preferably 5 min to 60 min, particularly preferably 10 to 30 min.
  • the device is switched as a cathode during electrochemical deposition.
  • the component In the case of electrochemical deposition, in which the component functions as a metal ion-generating cathode, the component contains metal ion precursors with a higher oxidation state than the metal ion of the resulting organometallic framework compound.
  • the component acts as a metal ion-generating cathode
  • the component is connected as a cathode.
  • the metal ion precursor contained in the surface or uppermost layer of the component to be coated is cathodically reduced, and thus the electrolyte of the metal ion on the component fed.
  • the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to the organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
  • the metal ion precursor compound is present, for example, not as a component metal or component coating but as metal ion salt dissolved in the electrolyte solution.
  • the metal ion then does not have the necessary oxidation state for the synthesis of the MOF, which is why the metal ion salt is first electrochemically reacted and the necessary for the MOF synthesis, metal ion is formed.
  • z For example, permanganate salts such as KMn0 4 in question, which are then reduced to the component electrochemically Mn 2+ ions.
  • the linker compound is generated from a linker precursor compound contained in the electrolytic solution.
  • the linker compound is formed during the electrolysis of at least one linker precursor compound. This can be done by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction.
  • the electrochemical reaction of the electrolyte initiates the chemical reaction to form the linker compound from the linker precursor compound.
  • the pH can change so much that z.
  • acid groups are deprotonated and, for example, arise from the free carboxylic acids, the linker carboxylates.
  • the deprotonation of acid or imidazole groups takes place by changing the pH, for example by water decomposition during the electrolysis.
  • the device acts as a linker-generating electrode.
  • the device acts as a linker-generating cathode.
  • the component is made of any electrically conductive material and the metal ions originate from the metal ion precursor-connected electrode and / or from the metal ion salt dissolved in the electrolyte solution.
  • the component also contains a linker-generating cathode with a metal ion precursor having a higher oxidation state than the metal ion of the metal-organic framework compound to be formed.
  • the linker precursor compound contained in the electrolyte solution is electrochemically or chemically reacted to the corresponding linker compound on the device as a result of an electrochemical reaction. This is done for example by cleavage of the precursor compound or by deprotonation as a result of a pH change by hydrogen-proton-consuming reduction.
  • the pH change can also be done by hydroxide ion-generating reduction of solvent or Leitsalz beautine, such as water and / or nitrate ions.
  • the linker connection of the electrolyte solution is supplied to the component.
  • the linker compound reacts with the metal ion contained in the solution to organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
  • the component acts as a linker-generating anode.
  • the component then consists of any electrically conductive material or the component contains metal ion precursors having a lower oxidation state than the metal ion of the organometallic framework compound.
  • the linker precursor compound contained in the electrolytic solution is electrochemically or chemically reacted to the corresponding linker compound on the device as a result of an electrochemical reaction. This is done, for example, by oxidation of the linker precursor compound, e.g. B. an aldehyde functionality to the corresponding carboxylic acid functionality. It may also be a cleavage of the linker precursor compound, such as the acidic cleavage of protecting groups of protected carboxylic acid groups.
  • reaction of the linker precursor compound to form the linker compound can also be effected by a pH change by an electrolytic oxidation consuming hydroxide ions or by the oxidation of solvents such as water or conductive salt constituents which generates hydrogen ions.
  • the linker compound is added to the electrolyte solution on the component.
  • the linker compound reacts with the metal ion contained in the electrolytic solution to organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
  • the metal ion can be in the form of a metal salt electrolyte component and / or the metal ions originate from the cathode connected metal ion precursor containing electrode and / or the metal ion is also on the component containing a metal ion precursor with a lower oxidation state than the metal ion of the organometallic skeleton by anodic reaction fed to the electrolyte solution.
  • the electrodes may also be different from the component. This corresponds to variant b) in the process according to the invention.
  • the component is introduced into an electric field between two electrodes in variant b).
  • the component is introduced into an electric field generated in the electrolyte solution by at least two electrodes, through which the component is polarized, whereby electrochemical deposition takes place on the component.
  • the component is then not simultaneously electrode or connected as an electrode.
  • the component is introduced into an electric field between at least one positively polarized and at least one negatively polarized electrode.
  • the coating space of the component that is, the area surrounding the component containing the electrolyte solution, is separated from the electrode spaces by membranes to minimize or prevent the conversion of electrolyte components, such as the linker precursor compound, to the electrodes.
  • the metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution
  • the metal ion necessary for synthesizing the organometallic skeleton compound is released from the component due to the polarization by the electric field between the at least two electrodes, wherein the metal ion dissolves from the component by electrochemical oxidation or reduction and passes into the electrolyte solution. There it reacts with the linker compound contained in the solution and is deposited as organometallic framework compound on the component.
  • the component contains metal ion precursors selected from pure metal and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides, as also described above for a component as a metal ion-providing electrode.
  • the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing metal ions, wherein this coating is selected from metals and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides, as described above for a component as a metal ion-providing electrode ,
  • the support material of the component is selected from electrically conductive polymers, carbons, carbon fibers and materials, as already described above for variant a), for a component which is coated with metal ion precursor materials of higher or lower oxidation state.
  • the component in particular its surface, comprises an electrically conductive material, for example metals, metal oxides, semiconductor materials, ITO or FTO glass, conductive polymers. Then, at the interface between the device and the electrolyte solution, the linker precursor compound is electrolytically or electrochemically reacted to the linker compound.
  • an electrically conductive material for example metals, metal oxides, semiconductor materials, ITO or FTO glass, conductive polymers.
  • the electric field between the electrodes must be strong enough for the indirect forms of deposition.
  • the voltage during the electrochemical deposition in variant b) is 1 to 100 volts, preferably 5 to 20 V.
  • the organometallic framework compounds are deposited as a uniformly thick layer on the component. After deposition, the coated component is rinsed with water or a solvent and dried if necessary.
  • the metal ions necessary for the synthesis of the MOF coating from one of the electrodes are provided by oxidation or reduction in the electrolyte solution (variant ii).
  • the metal ion is dissolved as metal ion salt in the electrolyte solution
  • the at least one metal ion is dissolved in the electrolyte solution as the metal ion salt, preferably in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF, one of the electrodes used for the electrolysis is at the same time a component and the linker compound is generated at the interface of component and electrolyte solution.
  • the at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution, wherein at least one of the electrodes used for the electrolysis is simultaneously a component.
  • the at least one metal ion is provided by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in an electrode in the electrolyte solution, and the linker compound is electrolytically generated at the interface of the component and the electrolytic solution, wherein at least one of the electrodes used for electrolysis is simultaneously a component.
  • the component is dried after coating with the MOF at a pressure of 1000 mbar to 10-10 mbar and a temperature in the range of -40 ° C to 180 ° C.
  • the layer of organometallic framework compounds also contains micropores and / or macropores and / or mesopores also partially with different types of pores, e.g. B. slotted pores.
  • micropores refers to pores with a diameter of up to 2 nm.
  • mesopores refers to pores with a diameter of 2 nm to 50 nm.
  • macropores refers to pores with a diameter> 50 nm.
  • the specific surface area (BET) of the organometallic framework compounds prepared according to the invention is determined by DIN ISO 9277.
  • the specific surface area of the MOF coating produced according to the invention is from 5 m2 / g to 2500 m2 / g.
  • Scanning electron microscopy is a more suitable method (eg, in comparison to physisorption measurements) for investigating the MOF coatings produced according to the invention in order to investigate the porosity / structure and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores are designed on the crystallite surface.
  • the determination of the BET surface area by physisorption measurements can be misleading, since a high BET surface area in m2 / g could also be due to pores in the "crystallite interior", while the crystallite surface is relatively smooth.
  • the crystallites have a structure-related microporosity, so that advantageously a threefold hierarchical structuring of the surface is found.
  • the MOF layers produced according to the invention have a threefold hierarchical structuring.
  • this hierarchical structure of the surface and of the coating base material succeeds in only one process step, whereas hitherto known, mostly photolithographic processes require several complex process steps.
  • the MOF coatings produced according to the invention advantageously have larger water contact angles than, for example, MOF coatings which have been produced by coating with hydrothermally produced MOF.
  • a further advantage of the MOF produced according to the invention is the high stability of the crystalline framework compounds, which is ensured by the coordinative bonds of linkers and metal ions.
  • the observed micro- and / or nanostructures with an additional microroughness and porosity caused by the micropores are advantageously suitable for ensuring improved adhesion of the subsequently applied impregnating agent
  • the application of an impregnating agent with a low surface tension of ⁇ 30 mN / m onto the MOF coating takes place.
  • An additional impregnation of the MOF coating advantageously leads to omniphobic properties of the surface of the component.
  • Omniphob means that the surface is repellent to a variety of polar and nonpolar fluids. Even polar and nonpolar fluids with low surface tensions of> 10 mN / m up to 50 mN / m, preferably up to 30 mN / m have an increased contact angle on these surfaces, so that dropwise condensation is possible. The same applies to fluids with higher surface tension.
  • a low surface tension modifier of ⁇ 30 mN / m is applied to the MOF coating.
  • the impregnating agent has a lower surface tension than the fluid to be condensed or the mixture of fluids to be condensed.
  • a prior treatment with perfluorosilanes as known from the prior art in photolithographically produced microstructures, is advantageously no longer necessary to ensure the desired wetting properties and sufficient adhesion of the impregnating agent on the MOF coating.
  • the impregnating agent has a low surface tension of ⁇ 30 mN / m, preferably ⁇ 20 mN / m.
  • the impregnating agent is selected from perfluorinated oils, fats and / or thickeners.
  • the impregnating agent is selected from perfluorinated polymers and / or perfluoroalkyl ethers and / or partially fluorinated and / or polyfluorinated polymers or alkyl ethers. In one embodiment, the impregnating agent is applied by dipping and / or spraying and / or spin-coating and / or spin-coating methods.
  • the omniphobic surface coating produced according to the invention has a contact angle of 15 ° when wetted with water and / or 60 ° when wetted with acetone and / or 95 ° when wetted with diiodomethane.
  • fluids with low surface tensions of> 10 to ⁇ 30 mN / m on the components coated according to the invention have a contact angle of at least 35 degrees, preferably at least 50 degrees, suitable for dropwise condensation.
  • the omniphobic surfaces produced according to the invention are mechanically more stable than hitherto known smooth, perfluorinated, omniphobic surfaces.
  • a further advantage in the combination of the inventive coating of the surface of the component with organometallic framework compounds and their impregnation lies in the improved adhesion of the impregnating agent on the hierarchically structured MOF layer by favorable intermolecular interactions between impregnating agent and MOF.
  • the washing-off of the impregnating agent by the condensate which is often observed in the prior art, can thereby be reduced.
  • This physical-mechanical effect was detected by ESEM measurements, which were carried out after application of the impregnating agent.
  • the impregnating agent layer is not a closed film but is broken in some places because some larger MOF crystals protrude from the impregnating agent layer as peaks. Between these tips, the impregnating agent is held by adhesive forces and mechanical removal, for example by washing, is immediately more difficult.
  • FIG. 10 shows a cross section of an impregnated MOF surface according to the invention. There is no closed film formation, but individual tips of the MOF crystals protrude from the impregnating agent layer. The impregnating agent is bound by adhesion forces on the MOF surface.
  • the adhesion of the impregnating agent is advantageously no longer dependent on the chemical nature of the impregnating agent and MOF surface and a chemical modification of the surface prior to impregnation is no longer necessary.
  • the individual physicochemical properties of the respective MOF compound can be influenced by the selection of the linker compound.
  • it can even be adjusted to what extent the contact angle of the condensing fluids is increased by the lubricant, which is probably due to improved interaction of the linker molecules with the lubricant.
  • the combination of imidazolate-based MOF and perfluoroalkyl ether-based impregnating agent has proven particularly advantageous.
  • the surface energy of the MOF with imidazolate linker is still significantly lower than that of the carboxylate MOF, which can lead to a particularly good adhesion of the impregnating agent on the MOF coating.
  • Another advantage of the method according to the invention lies in the short duration of the production of an omniphobic surface coating on components.
  • the invention also provides an omniphobic surface coating comprising an organometallic framework compound and an impregnating agent, the organometallic framework compound containing micropores and / or meso- and / or macropores and / or channels, the organometallic framework compound having a pore volume of 0.002 cm 3 / g to 3,500 cm3 / g, preferably 0.010 cm3 / g to 0.080 cm3 / g, wherein the metal-organic framework compound has a specific surface area of 5 m2 / g to 2500 m2 / g, preferably 50 m 2 / g to 1500 m 2 / g wherein the layer thickness of the surface coating 0.1 ⁇ to 1000 ⁇ , preferably 2 ⁇ to 100 ⁇ , more preferably 2 to 10 ⁇ , wherein the impregnating agent has a surface tension of ⁇ 30 mN / m, preferably ⁇ 20 mN / m.
  • the invention also relates to the use of an omniphobic surface coating according to the invention on components for droplet condensation of fluids having a surface tension of ⁇ 75 mN / m, preferably ⁇ 50 mN / m, more preferably ⁇ 30 mN / m.
  • the fluids are selected from organic solvents and / or refrigerants and / or mixtures thereof.
  • the fluids are selected from alcohols, ketones, aromatic and / or aliphatic hydrocarbons, halogenated hydrocarbons and / or inorganic fluids.
  • the invention also provides the use of an omniphobic surface coating according to the invention in heat exchangers.
  • the heat exchangers are selected from recuperative heat exchangers, for example shell and tube heat exchangers, plate heat exchangers and spiral heat exchangers.
  • the heat-transferring surfaces of the heat exchanger are coated on one or both sides.
  • the invention also provides a heat exchanger comprising an omniphobic surface coating, produced by a method according to the invention.
  • the heat exchanger is selected from shell-and-tube heat exchangers, plate heat exchangers and / or spiral heat exchangers.
  • the pictures show:
  • Example 1 shows a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to Example 1, which shows the microstructuring of the coating from the top view;
  • Example 2 shows a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to Example 1, which shows the submicrostructuring of the coating from the top view;
  • cobalt K Q radiation
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogentrimide MOF coating on a stainless steel component according to embodiment 2. The microstructuring of the coating from the top view can be seen;
  • Example 5 is a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogentrimide MOF coating on a stainless steel component according to Example 2. The sub-microstructuring of the coating from the top view is shown;
  • Fig. 7 is a schematic representation of the electrochemical deposition cells according to Examples 1 and 2 with working electrode (AE), counter electrode (GE), reference electrode (RE), salt bridge (SB) and electrolyte (shown hatched).
  • Fig. 9 ESEM images a and b show electrochemically deposited Cu-BTC treated with perfluorinated oil. The elevations of the MOF crystals from the liquid film are clearly recognizable. This is shown schematically again in c.
  • the surface of the component made of pure copper was first cleaned with a lint-free cellulose cloth soaked in ethanol and then rinsed with deionized water and dried in a stream of air.
  • an electrochemical deposition cell (Fig. 7) consisting of a Teflon body in the form of a hollow cylinder open to the upper side and having a circular recess in the bottom, a sealing ring and a Teflon plate screwed on the bottom, the flat component of dimension 1 was obtained , 5 cm x 1, 5 cm of pure copper as a working electrode (anode) connected and coated the introduced into the electrolyte solution surface portion.
  • a platinum counter electrode cathode, area 2 cm x 2 cm
  • a mercury / mercury sulfate reference electrode was introduced via a salt bridge in the upper opening of the electrochemical deposition cell.
  • An area fraction of the working electrode of 0.78 cm 2 was added to the electrolytic solution, from 10 ml of a 3: 1 (v / v) mixture of 100% ethanol and deionized water with 0.05 mol / l trimesic acid and 0.06 mol / l tributylmethylammonium methyl sulfate, introduced at a temperature of 50 ° C.
  • a potential of 0.5 V with respect to the mercury / mercury sulfate reference electrode was applied for 10 minutes with a Heka PG310 potentiostat.
  • One minute after completion of the polarization of the electrolyte was removed, the component sample removed and rinsed twice with 15 ml of ethanol and 15 ml of deionized water and dried first in air.
  • the average layer thickness of the microstructured copper trimsate MOF coating thus produced was determined on the basis of cross-sectional images taken with the Scanning Electron Microscope FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) with an average of 12.5 ⁇ m.
  • the X-ray diffractogram of the copper trimesate MOF coating thus prepared on a flat copper component is shown in Fig. 3 (top) and shows the characteristic signal pattern of a copper trimesate MOF.
  • the electrodeposited MOF was impregnated with the Krytox GPL 105 (DuPont) lubricant.
  • the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3 ⁇ 10 -3 mbar and room temperature (25 ° C.).
  • the impregnation was then carried out at ambient pressure under a protective gas atmosphere (argon) in a glove box.
  • the impregnation was carried out by sprinkling the lubricant until the surface was completely covered. In this state, the surface was left for 10 minutes. To remove excess lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for about 20 seconds.
  • the surface of the stainless steel component was first cleaned with a lint-free cellulose cloth soaked in ethanol and then rinsed with deionized water and dried in a stream of air.
  • an electrochemical deposition cell (Fig. 7) consisting of a Teflon body in the form of a hollow cylinder open to the upper side and having a circular recess in the bottom, a sealing ring and a Teflon plate screwed to the bottom, the flat stainless steel component was made Dimension 1, 5 cm x 1, 5 cm connected as a working electrode (cathode) and coated the introduced into the electrolyte solution area fraction.
  • a stainless steel counter electrode (anode, area 1, 6 cm x 3 cm), which was aligned perpendicular to about 0.5 cm from the working electrode, and a mercury / mercury sulfate reference electrode via a salt bridge in the upper opening of the electrodeposition cell introduced.
  • the aqueous manganese (II) sulfate electrolytic solution was removed from the electrodeposition cell, and the structure including the manganese plating electrodeposited on the stainless steel member was rinsed three times with 50 ml each of deionized water and once with 50 ml of ethanol, and in air at room temperature for 2 minutes dried.
  • the device was then switched as a working electrode (anode) to electrochemically control the manganese coating and a platinum counter electrode (cathode, 2 cm * 2 cm area) aligned parallel with the working electrode at about 1 cm.
  • a potential of -1.25 V with respect to the mercury / mercury sulfate reference electrode was observed for 60 min. created.
  • One minute after completion of the polarization of the Electrolyte removed, the component sample removed and rinsed twice with 15 ml of ethanol and 15 ml of deionized water and then dried in air.
  • the average layer thickness of the microstructured manganese dihydrogen trime- nate MOF coating prepared in this way was determined to be 15.3 ⁇ m using cross-sectional images taken with the scanning electron microscope FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss).
  • the X-ray diffraction pattern of the manganese dihydrogen trigentate MOF coating thus prepared on a flat stainless steel component is shown in Fig. 6 (top) and shows the characteristic signal pattern of a manganese dihydrogen trigentate MOF with low intensity, greatly broadened signals based on the nanocrystallinity of the MOF - Crystallite is due.
  • the crystallites additionally form a mesoporous superstructure in the coating composite, which is depicted in FIG. 5.
  • a reference sample was prepared which had suitable crystals for an X-ray single crystal structure determination and, after comminution, also X-ray powder diffractometry.
  • the crystals were after seven days from a stored at room temperature 1: 1 mixture of aqueous 0.1 M manganese (II) sulfate solution and a solution analogous to the MOF coating electrolyte (0.05 mol / l trimesic acid and 0.025 mol / l 2-methylimidazole in 1: 1 (v / v) mixture of 100% ethanol and deionized water).
  • II manganese
  • the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3 ⁇ 10 -3 mbar and room temperature (25 ° C.).
  • the impregnation was then carried out at ambient pressure under a protective gas atmosphere (argon) in a glove box.
  • the impregnation was carried out by sprinkling the lubricant until the surface was completely covered. In this state, the surface was left for 10 minutes. To remove excess lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for about 20 seconds.
  • the reduced water contact angle compared to Example 1 is due to the physicochemical properties of the linker molecule backbone, which has four bonded hydrophilic water molecules per formula unit in the manganese dihydrogentrimide MOF, of which the skeletal structure containing hydrogen bonds in this organometallic compound is dependent. This illustrates the described possibility of influencing the extent of the contact angle increase of the fluids to be condensed by the impregnating agent or by the choice of MOF or linker compounds.
  • Scanning electron microscopy is a very suitable method (eg in comparison to physisorption measurements) for investigating the MOF coatings produced according to the invention in order to investigate the porosity / structuredness and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores are designed on the crystallite surface.
  • the determination of the BET surface area by physisorption measurements is misleading, since a high BET surface area in m2 / g could be due to pores in the "crystallite interior", while the crystallite surface is relatively smooth.
  • the SEM images show the roughness / structuring in the micrometer scale (FIG. 1 or FIG. 4) as well as in the submicrometer scale or nanoscale (FIG. 2 or FIG. 5) of the superhierarchically structured MOF coating (copper Trimesat MOF coating on a copper component according to Example 1 (see FIG. 1 and FIG. 2) and manganese dihydrogentrimide-MOF coating on a stainless steel member according to Embodiment 2 (see Figs. 4 and 5)).
  • the superhierarchically structured MOF coating copper Trimesat MOF coating on a copper component according to Example 1 (see FIG. 1 and FIG. 2) and manganese dihydrogentrimide-MOF coating on a stainless steel member according to Embodiment 2 (see Figs. 4 and 5).
  • the "black” areas are the interstices / pores in which the lubricant settles, but without causing a smooth crystallite area.
  • the bright areas are attributable to the crystalline MOF compound, as seen in FIGS. 1, 2, 4, and 5 the morphology / shape of the MOF coatings.
  • the crystallinity is shown by the reflections in the X-ray diffraction (FIG. 3 or FIG. 6). The pictures are taken before the impregnation.

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Abstract

The invention relates to a process for coating components with an omniphobic surface coating containing at least one organometallic scaffold compound and an impregnating agent comprising the steps of - electrochemical deposition of the organometallic scaffold compound on the component by electrolysis from an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent, - application of an impregnating agent onto the organometallic scaffold compound, wherein the metal ion is i) dissolved in the electrolyte solution as a metal ion salt and/or ii) by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor present in the component and/or electrode generated at the interface between the electrode and the electrolyte solution and/or provided in the electrolyte solution and wherein the component is a) simultaneously the electrode or b) introduced into an electrical field between at least two electrodes, wherein the linker compound is an organic, at least monodentate compound and wherein the impregnating agent has a low surface tension of < 30 mN/m.

Description

Verfahren zur Herstellung omniphober Oberflächen  Process for producing omniphobic surfaces
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen, die Oberflächenbeschichtung als solche sowie deren Verwendung in Wärmeübertragern. The invention relates to a method for producing an omniphobic surface coating on components, the surface coating as such and their use in heat exchangers.
Ein Dampf schlägt sich auf einer festen Oberfläche, beispielsweise einer Wand, als Flüssigkeit nieder, sofern die Temperatur der Oberfläche unterhalb einer Sattdampftemperatur des Dampfes liegt. Dieser Vorgang wird als Kondensation bezeichnet. A vapor settles on a solid surface, such as a wall, as a liquid, as long as the temperature of the surface is below a saturated steam temperature of the vapor. This process is called condensation.
Kondensation in Wärmeübertragern findet verbreitet Einsatz bei der effizienten Nutzung von Abwärme aus Industrieanlagen, wobei z. B. dampfförmiges Wasser an der Oberfläche eines Wärmeübertragers kondensiert und zur Erwärmung von beispielsweise Luft oder Brauchwasser dienen kann. Condensation in heat exchangers is widely used in the efficient use of waste heat from industrial plants, with z. B. condensed vaporous water on the surface of a heat exchanger and can be used to heat, for example, air or hot water.
Die Kondensation des Wasserdampfes auf der Oberfläche des Wärmeübertragers kann unter Ausbildung eines geschlossenen, zusammenhängenden Films erfolgen (Filmkondensation), welcher sich auf der Oberfläche ausbildet. Sie kann aber auch als Tropfenkondensation erfolgen, bei der die Oberfläche durch räumlich voneinander separierte Tropfen benetzt wird. The condensation of the water vapor on the surface of the heat exchanger can take place with formation of a closed, coherent film (film condensation), which forms on the surface. But it can also be done as a drop condensation, in which the surface is wetted by spatially separated from each other drops.
Die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms ist oftmals störend und unerwünscht. Die Tropfenkondensation ist dagegen wesentlich vorteilhafter, da sie sich im Vergleich zur Filmkondensation durch deutlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten auszeichnet. The formation of a liquid film is often disturbing and undesirable. On the other hand, dropwise condensation is much more advantageous, since it is characterized by significantly higher heat transfer coefficients compared to film condensation.
Sie ist daher seit langem Gegenstand von Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten. It has therefore been the subject of research and development activities for a long time.
Die Mehrzahl der bisherigen Untersuchungen zur Tropfenkondensation wurde mit dem System Wasserdampf/Wasser durchgeführt. Most of the previous investigations on droplet condensation were carried out using the steam / water system.
Es gibt verschiedene Ansätze, die Tropfenkondensation von Wasserdampf zu realisieren. There are different approaches to realize the droplet condensation of water vapor.
So kann diese beispielsweise durch eine hydrophobe Funktionalisierung der Wärmeübertrageroberfläche erreicht werden. Dabei werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche so verändert, dass diese eine möglichst geringe Benetzbarkeit gegenüber Wasser und somit große Wasserkontaktwinkel aufweist. Derartige Oberflächen verfügen über eine mittlere oder niedrige Oberflächenenergie. Thus, this can be achieved for example by a hydrophobic functionalization of the heat exchanger surface. The chemical and physical properties of the surface are changed so that it has the lowest possible wettability to water and thus large water contact angle. Such surfaces have a medium or low surface energy.
Bei der chemischen Funktionalisierung von Oberflächen für die Tropfenkondensation werden unpolare Moleküle mittels Besch ichtungsverfahren an die Oberfläche gebunden (siehe u.a. G. Koch, D. C. Zhang, A. Leipertz, M. Grischke, K. Trojan, und H. Dimigen,„Study on plasma enhanced CVD coated material to promote dropwise condensation of steam", Int. J. Heat Mass Transfer, Bd. 41 , Nr. 13, S. 1899-1906, 1998; G. Koch, K. Kraft, und A. Leipertz,„Parameter study on the Performance of dropwise condensation", Rev. Gen. Therm., Bd. 37, Nr. 7, S. 539- 548, 1998; G. Koch, D. C. Zhang, und A. Leipertz,„Condensation of steam on the surface of hard coated copper discs", Int. J. Heat Mass Transfer, Bd. 32, Nr. 3, S. 149-156, 1997; M. P. Bonnar, B. M. Burnside, A. Little, R. L. Reuben, und J. I. B. Wilson,„Plasma Polymer Films for Dropwise Condensation of Steam", Chem. Vap. Deposition, Bd. 3, Nr. 4, S. 201-207, 1997; M. P. Bonnar, B. M. Burnside, J. Christie, E. J. Sceal, C. E. Troupe, und J. I. B. Wilson, „Hydrophobie Coatings from Plasma Polymerized Vinyltrimethylsilane", Chem. Vap. Deposition, Bd. 5, Nr. 3, S. 1 17-125, 1999; R. Enright, N. Miljkovic, J. L. Alvarado, K. Kim, und J. W. Rose, „Dropwise Condensation on Micro- and Nanostructured Surfaces", Nanoscale Microscale Thermophys. Eng., Bd. 18, Nr. 3, S. 223-250, 2014). In the chemical functionalization of surfaces for droplet condensation, nonpolar molecules are bound to the surface by means of coating methods (see, inter alia, G. Koch, DC Zhang, A. Leipertz, M. Grischke, K. Trojan, and H. Dimigen, "Study on plasma J. Heat Mass Transfer, Vol. 41, No. 13, pp. 1899-1906, 1998, G. Koch, K. Kraft, and A. Leipertz, " Parameter study on the Performance of dropwise condensation ", Rev. Gen. Therm., Vol. 37, No. 7, p. 539- 548, 1998; G. Koch, DC Zhang, and A. Leipertz, "Condensation of Steam on the Surface of Hard Coated Copper Discs," Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 32, No. 3, pp. 149-156, 1997; MP Bonnar, BM Burnside, A. Little, RL Reuben, and JIB Wilson, "Plasma Polymer Films for Dropwise Condensation of Steam," Chem. Vap. Deposition, Vol. 3, No. 4, pp. 201-207, 1997; MP Bonnar, BM Burnside, J. Christie, EJ Sceal, CE Troupe, and JIB Wilson, "Hydrophobie Coatings from Plasma Polymerized Vinyl Trimethylsilanes", Chem. Vap. Deposition, Vol. 5, No. 3, pp. 1 17-125, 1999, R. Enright, N. Miljkovic, JL Alvarado, K. Kim, and JW Rose, "Dropwise Condensation on Microand Nanostructured Surfaces", Nanoscale Microscale Thermophys. Eng., Vol. 18, No. 3, pp. 223-250, 2014).
Weiterhin kann die Tropfenkondensation durch ein Implantieren von Atomen in die Randschicht der Werkstoffe umgesetzt werden (siehe A. Bani Kananeh, M. H. Rausch, A. P. Fröba, und A. Leipertz, „Experimental study of dropwise condensation on plasma-ion implanted stainless steel tubes", Int. J. Heat Mass Transfer, Bd. 49, Nr. 25-26, S. 5018-5026, 2006 und M. H. Rausch, A. P. Fröba, und A. Leipertz,„Dropwise condensation heat transfer on ion-implanted aluminum surfaces", Int. J. Heat Mass Transfer, Bd. 51 , Nr. 5-6, S. 1061- 1070, 2008). Furthermore, droplet condensation can be implemented by implanting atoms into the surface layer of the materials (see A. Bani Kananeh, MH Rausch, AP Froeba, and A. Leipertz, "Experimental study of dropwise condensation on plasma-ion implanted stainless steel tubes", J. Heat Mass Transfer, Vol. 49, No. 25-26, pp. 5018-5026, 2006 and MH Rausch, AP Froeba, and A. Leipertz, "Dropwise condensation heat transfer on ion-implanted aluminum surfaces", Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 51, No. 5-6, pp. 1061-1070, 2008).
Neben den chemischen Eigenschaften der Kondensationsoberfläche wird das Benetzungsund Kondensationsverhalten auch durch die Oberflächenmorphologie beeinflusst (vgl. Figur 8). In addition to the chemical properties of the condensation surface, the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology (see Figure 8).
So konnten durch eine Kombination aus wasserabweisendem Oberflächenmaterial und gezielter Strukturierung im Mikro- und Nanometerbereich superhydrophobe Oberflächen mit sehr hohen Wasserkontaktwinkeln (Θ > 150°) erzeugt werden (vgl. Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. b, siehe auch K. A. Wier und T. J. McCarthy,„Condensation on Ultrahydrophobic Surfaces and Its Effect on Droplet Mobility: Ultrahydrophobic Surfaces Are Not Always Water Repellant", Langmuir, Bd. 22, Nr. 6, S. 2433-2436, 2006; J. B. Boreyko und C.-H. Chen,„Self-Propelled Dropwise Condensate on Superhydrophobic Surfaces", Phys. Rev. Lett., Bd. 103, Nr. 18, S. 184501 , 2009 und N. Miljkovic, R. Enright, und E. N. Wang, „Effect of Droplet Morphology on Growth Dynamics and Heat Transfer during Condensation on Superhydrophobic Nanostructured Surfaces", ACS Nano, Bd. 6, Nr. 2, S. 1776-1785,Thus, a combination of water-repellent surface material and targeted structuring in the micro- and nanometer range produced superhydrophobic surfaces with very high water contact angles (Θ> 150 °) (see Fehler! Reference source could not be found b, see also KA Wier and TJ McCarthy , "Condensation on Ultrahydrophobic Surfaces and Its Effect on Droplet Mobility: Ultrahydrophobic Surfaces Are Not Always Water Repellant", Langmuir, Vol. 22, No. 6, pp. 2433-2436, 2006, JB Boreyko and C.-H. Rev. Lett., Vol. 103, No. 18, pp. 184501, 2009, and N. Miljkovic, R. Enright, and EN Wang, "Effect of Droplet Morphology" on "Self-Propelled Dropwise Condensate on Superhydrophobic Surfaces" Growth Dynamics and Heat Transfer during Condensation on Superhydrophobic Nanostructured Surfaces ", ACS Nano, Vol. 6, No. 2, pp. 1776-1785,
2012) . 2012).
Wenn zusätzlich, wie in 1 c) dargestellt, das Anhaften der Kondensattropfen an der Oberfläche vermieden wird, ermöglichen derartige Oberflächen im Vergleich zu glatten hydrophoben Oberflächen eine weitere Steigerung des Wärmeübergangs bei der Kondensation von Wasserdampf (N. Miljkovic, R. Enright, und E. N. Wang, „Modeling and Optimization of Superhydrophobic Condensation", J. Heat Transfer, Bd. 135, Nr. 1 1 , S. 1 1 1004-1 1 1004,In addition, as shown in FIG. 1 (c), if the adhesion of the condensate drops to the surface is avoided, such surfaces allow a further increase in heat transfer in the condensation of water vapor compared to smooth hydrophobic surfaces (N. Miljkovic, R. Enright, and EN Wang, "Modeling and Optimization of Superhydrophobic Condensation," J. Heat Transfer, Vol. 135, No. 11, p. 1, 1 1004-1 1 1004,
2013) . Für die Beschreibung des Wärmeübergangs bei Tropfenkondensation organischer und nichtwasserhaltiger Stoffsysteme fehlen bisher detaillierte Untersuchungen. Damit ist die Anwendung des Tropfenkondensationsmechanismuses zur Effizienzsteigerung von Apparaten und Prozessen bei diesen Stoffsystemen in der Praxis bisher schwierig umzusetzen. 2013). For the description of the heat transfer in drop condensation of organic and non-aqueous material systems lacking detailed studies. Thus, the application of the droplet condensation mechanism to increase the efficiency of apparatuses and processes in these material systems in practice has been difficult to implement.
Potentielle Anwendungsgebiete für die Tropfenkondensation organischer und nicht-wässriger Systeme sind beispeilsweise Prozesse zur Lösungsmittelrückgewinnung aber auch geschlossene Kreisprozesse in Wärmepumpen, Kältemaschinen und Organic Rankine Cycle - Anlagen. Gerade bei den hier eingesetzten Stoffsystemen ist die Anwendung der Tropfenkondensation gegenüber der Filmkondensation noch interessanter und technisch relevanter als bei Wasserdampf/Wasser. Potential applications for droplet condensation of organic and non-aqueous systems include processes for solvent recovery as well as closed loop processes in heat pumps, chillers and Organic Rankine Cycle plants. Particularly in the case of the material systems used here, the use of drop condensation in comparison with film condensation is even more interesting and technically more relevant than with water vapor / water.
Allerdings weisen die kondensierenden Kälte- und Lösungsmittel als gemeinsames Merkmal eine deutlich geringere Oberflächenspannungen als Wasser auf, was eine Realisierung der Tropfenkondensation zusätzlich erschwert. However, the condensing refrigerants and solvents as a common feature to a significantly lower surface tensions than water, which further complicates a realization of the drop condensation.
Der durch Tropfenkondensation gesteigerte Wärmeübergang macht diesen Mechanismus jedoch für eine Vielzahl technischer Prozesse wirtschaftlich äußerst interessant. Genannt seien hier beispielsweise Kondensatoren in ORC-Anlagen zur Stromerzeugung aus Abwärme oder auch der stationäre und mobile Einsatz von Wärmepumpen und Kältemaschinen. However, the heat transfer increased by droplet condensation makes this mechanism economically extremely interesting for a large number of technical processes. These include, for example, capacitors in ORC plants for power generation from waste heat or the stationary and mobile use of heat pumps and chillers.
Ein erhöhter Wärmeübergang bei der Kondensation der Kältemittel führt vorteilhaft dazu, dass geringere Wärmeübertragerflächen bei gleicher Wirkung eingesetzt werden können. An increased heat transfer in the condensation of the refrigerant advantageously leads to lower heat exchanger surfaces can be used for the same effect.
Beispielsweise können bei einer Wasserkühlung und dem verwendeten Kältemittel Isobutan durch die Verdreifachung des kältemittelseitigen Wärmeübergangs mittels Tropfenkondensation Einsparungen von 20 % bis 30 % der Wärmeübertragerfläche im Vergleich zur Filmkondensation erreicht werden. Dies ermöglicht den Bau sehr kompakter und gewichtssparender Apparate und einen geringeren Materialeinsatz. Dadurch können, bei marktgerechter Integration der Beschichtungstechnologien, auch die Herstellungskosten für die Apparate gesenkt werden. For example, savings of 20% to 30% of the heat transfer surface in comparison to film condensation can be achieved by water cooling and the used isobutane refrigerant by tripling the refrigerant side heat transfer by means of drop condensation. This allows the construction of very compact and weight-saving apparatus and a lower material usage. In this way, if the coating technologies are integrated in line with the market, the manufacturing costs for the apparatuses can also be reduced.
Auch für Produktionsprozesse zur Rückgewinnung organischer Lösungsmittel aus belasteter Abluft, insbesondere in der Druckindustrie, bei der Beschichtung und Lackierung von Holz-, Metall- und Kunststoffoberflächen, bei der Herstellung von Arzneimitteln sowie von Lacken, Farben und Klebstoffen ist die Tropfenkondensation eine wirtschaftlich attraktive Alternative zur herkömmlichen Verfahren. Also for production processes for the recovery of organic solvents from contaminated exhaust air, especially in the printing industry, in the coating and painting of wood, metal and plastic surfaces, in the production of pharmaceuticals and paints, paints and adhesives, the drop condensation is an economically attractive alternative to conventional methods.
Bisher wurden für die o.g. Prozsse beispielsweise Adsorptionsverfahren oder eine thermische bzw. katalytische Oxidation genutzt. Die Tropfenkondensation ermöglicht beispielsweise im Gegensatz zur thermischen oder katalytischen Oxidation eine stoffliche Nutzung der rückgewonnenen Lösungsmittel. So far, for example, adsorption or thermal or catalytic oxidation were used for the above process. The drop condensation allows, for example, in Contrary to the thermal or catalytic oxidation, a material use of the recovered solvent.
Die relevanten Fluide aus der Gruppe der Kälte- und Lösungsmittel weisen als ein gemeinsames Merkmal eine deutlich geringere Oberflächenspannung γι_ν als Wasser auf. Gewöhnlich beträgt diese < 50 mN/m, häufig sogar < 30 mN/m. The relevant fluids from the group of refrigerants and solvents have as a common feature a significantly lower surface tension γι_ν than water. Usually this is <50 mN / m, often even <30 mN / m.
Dies führt in der Regel zu deutlich geringeren Kontaktwinkeln im Vergleich zu Wasser. Bei zahlreichen, insbesondere hydrophoben Oberflächen führt dies sogar zu einer vollständigen Benetzung mit den organischen oder wasserfreien Fluiden. Die Realisierung der Tropfenkondensation wird daher mit diesen Fluiden erheblich erschwert. This usually leads to significantly lower contact angles compared to water. In the case of numerous, in particular hydrophobic surfaces, this even leads to complete wetting with the organic or anhydrous fluids. The realization of the droplet condensation is therefore considerably more difficult with these fluids.
Die oben beschriebenen Ansätze für die Umsetzung der Tropfenkondensation von Wasserdampf sind deshalb für die relevanten Fluide aus der Gruppe der Kälte- und Lösungsmittel nur bedingt geeignet. Anstelle von hydrophoben Oberflächen bedarf es für die Tropfenkondensation von Kälte- und Lösungsmitteln omniphober Oberflächen, die gegenüber einer Vielzahl an polaren und unpolaren Flüssigkeiten eine geringe Benetzbarkeit aufweisen. Aus der Literatur ist bekannt, dass sich glatte omniphobe Oberflächen sehr niedriger Oberflächenenergie ysv durch Beschichten mit vollfluorierten Systemen erzeugen lassen (K. Rykaczewski, A. T. Paxson, M. Staymates, M. L. Walker, X. Sun, S. Anand, S. Srinivasan, G. H. McKinley, J. Chinn, J. H. J. Scott, und K. K. Varanasi,„Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sei. Rep., Bd. 4, Artikel-Nr. 4158, 2014, T. M. Mayer, M. P. de Boer, N. D. Shinn, P. J. Clews, und T. A. Michalske,„Chemical vapor deposition of fluoroalkylsilane monolayer films for adhesion control in microelectromechanical Systems", J. Vac. Sei. Technol. B, Bd. 18, Nr. 5, S. 2433-2440, 2000; J. Tsibouklis und T. g. Nevell, „Ultra-Low Surface Energy Polymers: The Molecular Design Requirements", Adv. Mater., Bd. 15, Nr. 7-8, S. 647-650, 2003; S. Chhatre, J. O. Guardado, B. M. Moore, T. S. Haddad, J. M. Mabry, G. H. McKinley, und R. E. Cohen,„Fluoroalkylated Silicon-Containing Surfaces-Estimation of Solid-Surface Energy", ACS Appl. Mater. Interfaces, Bd. 2, Nr. 12, S. 3544-3554, 2010). The above-described approaches for the implementation of the droplet condensation of water vapor are therefore only of limited suitability for the relevant fluids from the group of refrigerants and solvents. Instead of hydrophobic surfaces it is necessary for the drop condensation of refrigerants and solvents omniphobic surfaces, which have a low wettability compared to a variety of polar and non-polar liquids. It is known from the literature that smooth omniphobic surfaces of very low surface energy ysv can be produced by coating with fully fluorinated systems (K. Rykaczewski, AT Paxson, M. Staymates, ML Walker, X. Sun, S. Anand, S. Srinivasan, GH McKinley, J. Chinn, JHJ Scott, and KK Varanasi, "Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sei. Rep., Vol. 4, Item No. 4158, 2014, TM Mayer, MP de Boer, ND Shinn, PJ Clews, and TA Michalske, "Chemical vapor deposition of fluoroalkylsilane monolayer films for adhesion control in microelectromechanical systems", J. Vac., See Technol. B, Vol. 18, No. 5, pp. 2433-2440, 2000, J. Tsibouklis and T. G. Nevell, "Ultra Low Surface Energy Polymers: The Molecular Design Requirements", Adv., Mater., Vol. 15, No. 7-8, pp. 647-650, 2003; Chhatre, JO Guardado, BM Moore, TS Haddad, JM Mabry, GH McKinley, and RE Cohen, "Fluoroalkylated Silicon-Containing Sur faces-Estimation of Solid-Surface Energy ", ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 2, No. 12, pp. 3544-3554, 2010).
Derartige Beschichtungen sind jedoch aufgrund ihrer geringen mechanischen Stabilität für zahlreiche technische Anwendungen nicht geeignet (J. Groten und J. Rühe,„Surfaces with Combined Microscale and Nanoscale Structures: A Route to Mechanically Stable Superhydrophobic Surfaces?", Langmuir, Bd. 29, Nr. 1 1 , S. 3765-3772, 2013). However, because of their low mechanical stability, such coatings are unsuitable for numerous industrial applications (J. Gröhle and J. Rühe, "Surfaces with Combined Microscale and Nanoscale Structures: A Route to Mechanically Stable Super Hydrophobic Surfaces", Langmuir, Vol 1 1, pp. 3765-3772, 2013).
Wie schon oben beschrieben, wird das Benetzungs- und Kondensationsverhalten auch durch die Oberflächenmorphologie beeinflusst. Es ist bekannt, dass durch eine Kombination aus geeigneter Oberflächenmorphologie und Imprägnierung der Oberfläche mit einem geeigneten Schmiermittel niedriger Oberflächenenergie, omniphobe Oberflächen erzeugt werden können. Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass eine hierarchische Strukturierung der Oberfläche (Strukturierung im Mikrometerbereich mit zusätzlicher Rauheit im Nanometerbereich) eine Möglichkeit ist, um die Haftung von Kondensattropfen auf der Oberfläche zu minimieren und gleichzeitig die Beständigkeit der Imprägnierung zu erhöhen. As already described above, the wetting and condensation behavior is also influenced by the surface morphology. It is known that by combining a suitable surface morphology and impregnation of the surface with a suitable low surface energy lubricant, omniphobic surfaces can be produced. Recent studies show that surface hierarchical structuring (micrometer-scale patterning with additional roughness on the nanometer scale) is one way to minimize the adhesion of condensate droplets to the surface while increasing the durability of the impregnation.
In der Publikation von S. Anand et al. (S. Anand, A. T. Paxson, R. Dhiman, J. D. Smith, und K. K. Varanasi, „Enhanced Condensation on Lubricant-Impregnated Nanotextured Surfaces", ACS Nano, Bd. 6, Nr. 1 1 , S. 10122-10129, 2012), werden beispielsweise mittels Photolithographie und anschließendem Ätzen Nanostrukturen auf der Oberfläche einer Probe erzeugt und anschließend mit einem Imprägniermittel behandelt, um verbesserte Tropfenkondensation von Wasser zu erzielen. In the publication by S. Anand et al. (Anand, AT Paxson, R. Dhiman, JD Smith, and KK Varanasi, "Enhanced Condensation on Lubricant-Impregnated Nanotextured Surfaces", ACS Nano, Vol. 6, No. 11, pp. 10122-10129, 2012). For example, by photolithography and subsequent etching, nanostructures are formed on the surface of a sample and then treated with an impregnant to achieve improved water droplet condensation.
Nachteilig sind die bisher bekannten mehrstufigen Verfahren zur Herstellung von hierarchischen Mikro- und Nanostrukturen, welche beispielsweise photolithographische Verfahren oder den Einsatz von Kohlenstoffnanoröhren umfassen, äußerst kostenintensiv und für industrielle Prozesse, vor allem für die Beschichtung komplexer Bauteile weniger geeignet. Disadvantages are the hitherto known multistage processes for the production of hierarchical microstructures and nanostructures, which comprise, for example, photolithographic processes or the use of carbon nanotubes, extremely cost-intensive and less suitable for industrial processes, especially for the coating of complex components.
Bauteile müssen vor dem finalen Aufbau beschichtet und dürfen nicht mehr geschweißt werden, da sonst die aufgetragene Beschichtung dabei beschädigt wird. Ebenso wäre ein Tauchbad zum Aufbringen der Schichten für große und komplexe Bauteile ungeeignet, da die Tauchbadgröße die Bauteilgröße limitiert und bei komplexen Bauteilen eine inhomogene Beschichtung zu erwarten ist. Dies wäre wiederum ein Grund für verstärkte Korrosion. Components must be coated before final assembly and must no longer be welded, as otherwise the applied coating will be damaged. Likewise, an immersion bath for applying the layers for large and complex components would be unsuitable because the immersion size limits the size of components and complex components in an inhomogeneous coating is expected. This in turn would be a reason for increased corrosion.
Eine alternative Möglichkeit zur Strukturierung von Oberflächen liegt in der Verwendung von Metallorganischen Gerüstverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks - MOFs). An alternative possibility for structuring surfaces is the use of metal-organic frameworks (MOFs).
Eine günstige Eigenschaft der MOF sind auf molekularer Ebene strukturell begründete Poren und eine damit einhergehende sehr hohe Porosität und Oberfläche. MOFs zeichnen sich außerdem durch hohe Stabilität bzw. Unlöslichkeit in beinahe allen Lösungsmitteln und Temperaturbeständigkeit von bis zu 350 °C aus. Bisher sind für MOF vor allem Anwendungen im Bereich der Katalyse, Gasspeicherung und -reinigung sowie Analytik bekannt (A. U. Czaja, N. Trukhan, und U. Müller,„Industrial applications of metal-organic frameworks", Chem. Soc. Rev., Bd. 38, Nr. 5, S. 1284-1293, 2009). Schüth, F., Chemie Ingenieur Technik, Bd. 82, Nr. 6 769 - 777, 2010, gibt einen Überblick über poröse Materialien, welche sich insbesondere durch ihre Porengröße klassifizieren lassen. Unter anderem werden MOFs beschrieben, welche eine deutlich größere Porenweite als Zeolithe aufweisen und Porengrößen im Mesoporenbereich zeigen A favorable feature of the MOF are structurally based pores at the molecular level and a correspondingly high porosity and surface area. MOFs are also characterized by high stability or insolubility in almost all solvents and temperature resistance of up to 350 ° C. So far, applications in the field of catalysis, gas storage and purification as well as analytics have been known for MOF (AU Czaja, N. Trukhan, and U. Müller, "Industrial applications of metal-organic frameworks", Chem. Soc. Rev., Vol 38, No. 5, pp. 1284-1293, 2009.) Schüth, F., Chemie Ingenieur Technik, Vol. 82, No. 6 769-777, 2010, gives an overview of porous materials, which are particularly distinguished by their Among other things, MOFs are described which have a significantly larger pore size than zeolites and show pore sizes in the mesopore range
Zur Herstellung von MOF-Beschichtungen sind verschiedene Verfahren bekannt, die sowohl klassische Schichtaufwachstechniken wie Schleuderbeschichtungsprozesse, Eintauch- beschichtung oder Besprühen als auch schrittweise Reaktivbeschichtungen umfassen (siehe u.a. K. Ariga u. a.,„Layer-by-layer nanoarchitectonics: invention, Innovation, and evolution", Chem. Lett., Bd. 43, Nr. 1 , S. 36-68, 2014; D. Zacher, O. Shekhah, C. Wöll, und R. A. Fischer, „Thin films of metal-organic frameworks", Chem. Soc. Rev., Bd. 38, Nr. 5, S. 1418-1429, 2009; C.-T. He u. a.,„Exceptional hydrophobicity of a large-pore metal-organic zeolite", J. Am. Chem. Soc, Bd. 137, Nr. 22, S. 7217-7223, 2015; J. Zhao u. a.,„Conformal and highly adsorptive metal-organic framework thin films via layer-by-layer growth on ALD-coated fiber mats", J. Mater. Chem. A, Bd. 3, Nr. 4, S. 1458-1464, 2015; S. Liu, G. Liu, X. Zhao, und W. Jin, „Hydrophobic-ZIF-71 filled PEBA mixed matrix membranes for recovery of biobutanol via pervaporation", J. Membrane Sei., Bd. 446, S. 181-188, 2013). For the production of MOF coatings, various processes are known, which include both classical layer growth techniques such as spin coating processes, dip coating or spraying and stepwise reactive coatings (see K. Ariga et al., "Layer-by-layer nanoarchitectonics: invention, innovation, and evolution", Chem. Lett., Vol. 43, No. 1, pp. 36-68, 2014, D. Zacher, O. Shekhah , C. Wöll, and RA Fischer, "Thin films of metal-organic frameworks", Chem. Soc. Rev., Vol. 38, No. 5, pp. 1418-1429, 2009; C.-T. He et al., "Exceptional hydrophobicity of a large-pore metal-organic zeolite", J. Am. Chem. Soc., Vol. 137, No. 22, pp. 7217-7223, 2015, J. Zhao et al., "Conformal and highly adsorptive metal-organic framework thin films via layer-by-layer growth on ALD-coated fiber mats ", J. Mater. Chem. A, Vol. 3, No. 4, pp. 1458-1464, 2015; S. Liu, G. Liu, X. Zhao, and W. Jin, "Hydrophobic-ZIF-71 filled PEBA mixed matrix membranes for recovery of biobutanol via pervaporation", J. Membrane Sei., Vol. 446, p. 188, 2013).
Chun-Ting, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7217 - 7223 offenbart die Herstellung mikroporöser Zeolithe, mit uniformen Porengrößen. Die Zeolithe werden dabei zunächst in Lösung synthetisiert und die so gebildeten MOFs als Pulver untersucht. Dabei wird hohe Hydrophobizität festgestellt. Chun-Ting, H. et al. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 7217-7223 discloses the preparation of microporous zeolites with uniform pore sizes. The zeolites are first synthesized in solution and the MOFs thus formed investigated as a powder. This high hydrophobicity is detected.
Weiterhin können MOF-Schichten auch durch kostengünstige industriell skalierbare elektrochemische Methoden aufgewachsen werden, wobei MOF-Synthese und Beschichtung direkt in einem Schritt realisiert werden. Kristallitgrößen sowie -abstände und damit einhergehend Schichtdicke und Oberflächenmorphologie sind dabei kontrollierbar. Furthermore, MOF layers can also be grown by low-cost industrially scalable electrochemical methods, wherein MOF synthesis and coating are realized directly in one step. Crystallite sizes and spacings and the associated layer thickness and surface morphology are controllable.
DE 10355087 A1 aus dem Jahr 2003 beschreibt ein Verfahren zur elektrochemischen Herstellung von kristallinen MOFs in Pulverform, aus einem Reaktionsmedium, enthaltend zweizähnige Verbindungen und Metallionen, die durch Oxidation einer, das entsprechende Metall enthaltenden Anode, bereitgestellt werden. DE 10355087 A1 from 2003 describes a process for the electrochemical preparation of crystalline MOFs in powder form, from a reaction medium containing bidentate compounds and metal ions, which are provided by oxidation of an anode containing the corresponding metal.
Hartmann et al., Langmuir 2008, 24, 8643 - 8642 beschreibt die Herstellung von Kupferbasierten MOFs, u.a. mittels elektrochemischer Reaktion. Dabei wird das Linkermolekül im Elektrolyten vorgelegt und durch Elektrolyse mittels Kupferelektroden die MOF Verbindung hergestellt. Hartmann et al., Langmuir 2008, 24, 8643-8642 describes the preparation of copper-based MOFs, i.a. by means of electrochemical reaction. The linker molecule is initially introduced into the electrolyte and the MOF compound is prepared by electrolysis using copper electrodes.
Weitere Publikationen folgten, beispielsweise von Ameloot et al. (R. Ameloot, L. Stappers, J. Fransaer, L. Alaerts, B. F. Sels, und D. E. De Vos, „Patterned growth of metal-organic framework coatings by electrochemical synthesis", Chem. Mater., Bd. 21 , Nr. 13, S. 2580- 2582, 2009). Other publications followed, for example, Ameloot et al. (R. Ameloot, L. Stappers, J. Fransaer, L. Alaerts, BF Sels, and DE De Vos, "Patterned Growth of Metal-Organic Framework Coatings by Electrochemical Synthesis", Chem. Mater., Vol. 21, No. 13, pp. 2580-2582, 2009).
Die elektrochemische Abscheidung von MOF auf Metallen ist auch in Reviewartikeln besprochen worden (siehe u.a. H. Al-Kutubi, J. Gascon, E. J. R. Sudhölter, und L. Rassaei, "Electrosynthesis of Metal-Organic Frameworks: Challenges and Opportunities". ChemElectroChem, Bd. 2, Nr. 4, S. 462-474, 2015. oder W.-J. Li, M. Tu, R. Cao, und R. A. Fischer, " Metal-organic framework thin films: electrochemical fabrication techniques and corresponding applications & perspectives". J. Mater. Chem. A, Bd. 4, Nr. 32, S. 12356-12369, 2016). The electrochemical deposition of MOF on metals has also been reviewed in review articles (see, inter alia, H. Al-Kutubi, J. Gascon, EJR Sudhölter, and L. Rassaei, "Electrosynthesis of Metal-Organic Frameworks: Challenges and Opportunities." Chem Electro Chem, Vol 2, No. 4, pp. 462-474, 2015. or W.-J. Li, M. Tu, R. Cao, and RA Fischer, "Metal-organic framework thin films: electrochemical fabrication techniques and 3, Appl. Chem. A, Vol. 4, No. 32, pp. 12356-12369, 2016).
Campagnol et al. publizierten erstmals Untersuchungen zum Mechanismus der anodischen Abscheidung von metallorganischen Grundgerüsten. (N. Campagnol, T. R. C. van Assche, M. Li, L. Stappers, M. Dincä, J. F. M. Denayer, K. Binnemans, D. E. De Vos und J. Fransaer,„On the electrochemical deposition of metal-organic frameworks", J. Mater. Chem. A, Bd. 4, Nr. 10, S. 3914-3925, 2016).  Campagnol et al. published for the first time studies on the mechanism of anodic deposition of organometallic skeletons. (Campagnol N., TRC van Assche, M. Li, L. Stappers, M. Dinca, JFM Denayer, K. Binnemans, DE De Vos and J. Fransaer, "On the electrochemical deposition of metal-organic frameworks", J. Mater. Chem. A, Vol. 4, No. 10, pp. 3914-3925, 2016).
Mit Erweiterung zu bipolarer Galvanotechnik ist auch die Beschichtung komplexer Bauteile beliebiger geometrischer Form möglich (siehe z. B. S. Yadnum u. a.,„Site-Selective Synthesis of Janus-type Metal-Organic Framework Composites", Angew. Chem., Bd. 126, Nr. 15, S. 4082-4086, 2014). With the extension to bipolar electroplating, it is also possible to coat complex components of any geometric shape (see, for example, BS Yadnum et al., "Site-Selective Synthesis of Janus-type Metal-Organic Framework Composites", Angew Chem., Vol. 15, p. 4082-4086, 2014).
Auf Oberflächen, die ausschließlich mit einer zusätzlichen Strukturierung im Mikro- und Nanometerbereich arbeiten, ist bei der Kondensation von Fluiden mit sehr niedriger Oberflächenspannung, im Gegensatz zur Kondensation von Wasserdampf, nicht unmittelbar mit einem gesteigerten Wärmeübergang zu rechnen. Stattdessen kommt es in diesen Fällen durch Tropfenbildung in den Zwischenräumen zum Fluten der Oberflächenstrukturierung und zur Ausbildung eines geschlossenen Kondensatfilms (Filmkondensation, siehe K. Rykaczewski u. a.,„Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sei. Rep., Bd. 4, Artikel-Nr. 4158, 2014). On surfaces that work exclusively with an additional structuring in the micro and nanometer range, the condensation of fluids with very low surface tension, in contrast to the condensation of water vapor, is not directly associated with an increased heat transfer. Instead, in these cases dripping in the interstices leads to flooding of the surface structuring and formation of a closed condensate film (film condensation, see K. Rykaczewski et al., "Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sei. Rep., Vol. 4, Item No. 4158, 2014).
Die Ausbildung des Kondensatfilms kann verhindert werden, indem die mikro- und nanostrukturierten Oberflächen zusätzlich mit einem Öl bzw. Schmiermittel imprägniert werden. The formation of the condensate film can be prevented by additionally impregnating the micro- and nanostructured surfaces with an oil or lubricant.
Zur Herstellung der nanostrukturierten Oberflächen nutzen z. B. Rykaczewski et al. Siliziumsubstrate, die mit Aluminium-Nanopartikeln beschichtet werden. Nach Aufbringen eines Schmiermittels auf Basis von Fluorpolymeren, wurde für Lösungsmittel mit Oberflächenspannungen von 15 bis 28 mN/m ein verbesserter Wärmeübergang durch Tropfenkondensation beobachtet, (siehe auch K. Rykaczewski u. a.,„Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sei. Rep., Bd. 4, Artikel-Nr. 4158, 2014; S. Anand, A. T. Paxson, R. Dhiman, J. D. Smith, und K. K. Varanasi, „Enhanced Condensation on Lubricant-Impregnated Nanotextured Surfaces", ACS Nano, Bd. 6, Nr. 1 1 , S. 10122-10129, 2012; R. Xiao, N. Miljkovic, R. Enright, und E. N. Wang, „Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer", Sei. Rep., Bd. 3, Artikel-Nr. 1988, 2013). To produce the nanostructured surfaces z. B. Rykaczewski et al. Silicon substrates coated with aluminum nanoparticles. After application of a fluoropolymer-based lubricant, improved heat transfer by dropwise condensation was observed for solvents with surface tensions of 15 to 28 mN / m (see also K. Rykaczewski et al., "Dropwise Condensation of Low Surface Tension Fluids on Omniphobic Surfaces", Sci 4, Item No. 4158, 2014; S. Anand, AT Paxson, R. Dhiman, JD Smith, and KK Varanasi, "Enhanced Condensation on Lubricant-Impregnated Nanotextured Surfaces," ACS Nano, Vol. 6, No. 11, pp. 10122-10129, 2012; R. Xiao, N. Miljkovic, R. Enright, and EN Wang, "Immersion condensation on oil-infused heterogeneous surfaces for enhanced heat transfer," Se. Rep. , Vol. 3, Article No. 1988, 2013).
US 2013/02208/13 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung imprägnierter mikro-/nano- strukturierter Oberflächen zur Verbesserung der Tropfenkondensation von Wasser oder Lösungsmitteln mit niedriger Oberflächenspannung. Mikro- oder nanostrukturierte Siliziumsubstrate werden dabei, je nach gewünschter Funktion mit ölbasierten oder wasserbasierten oder ionischen Flüssigkeiten oder perfluoralkylierten Silanen bedeckt, sodass superhydrophobe Oberflächen entstehen, die eine Tropfenbildung des Kondensats zulassen, ohne dass das Imprägniermittel dabei durch das Kondensat ausgewaschen oder ersetzt wird. US 2013/02208/13 A1 describes a process for producing impregnated micro / nano-structured surfaces for improving the dropwise condensation of water or Low surface tension solvents. Depending on the desired function, microstructured or nanostructured silicon substrates are covered with oil-based or water-based or ionic liquids or perfluoroalkylated silanes, resulting in superhydrophobic surfaces which allow the condensate to drop without the impregnating agent being washed out or replaced by the condensate.
Durch Strukturierung eines Grundmaterials mit niedriger Oberflächenenergie in Kombination mit einer Imprägnierung lassen sich auch Oberflächen mit omniphoben Eigenschaften erzeugen, die sich zusätzlich durch eine sehr geringe Haftung von Tropfen auf der Oberfläche auszeichnen. T.-S. Wong et al. beschreiben in ihrer Publikation die Beschichtung photolithographisch erzeugter nanostrukturierter Oberflächen mit Imprägniermitteln, um diese omniphob zu gestalten. Berichtet wird von„Lubricant-Infused Surfaces" (LIS) bzw.„Slippery Lubricant Infused Porous Surfaces" (SLIPS), welche eine verbesserte Tropfenkondensation aufzeigen. (T.-S. Wong u. a.,„Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity", Nature, Bd. 477, Nr. 7365, S. 443-447, 201 1 ; siehe auch J. D. Smith u. a., „Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces", Soft Matter, Bd. 9, Nr. 6, S. 1772-1780, 2013. und K.-C. Park u. a.,„Condensation on slippery asymmetric bumps", Nature, Bd. 531 , Nr. 7592, S. 78-82, 2016). By structuring a base material with low surface energy in combination with an impregnation, it is also possible to produce surfaces with omniphobic properties, which are additionally distinguished by a very low adhesion of droplets to the surface. T.-S. Wong et al. describe in their publication the coating of photolithographically produced nanostructured surfaces with impregnating agents in order to make them omniphobic. It is reported by "Lubricant-Infused Surfaces" (LIS) or "Slippery Lubricant Infused Porous Surfaces" (SLIPS), which show an improved drop condensation. (T.-S. Wong et al., "Bioinspired self-repairing slippery surfaces with pressure-stable omniphobicity", Nature, Vol. 477, No. 7365, pp. 443-447, 201 1; see also JD Smith et al., "Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces ", Soft Matter, Vol. 9, No. 6, pp. 1772-1780, 2013. and K.-C. Park et al.," Condensation on slippery asymmetric bumps ", Nature, Vol. 531, No. 7592, pp. 78-82, 2016).
Aus US 9,121 ,307 B2 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von SLIPS bekannt. Dabei werden Metall-, Glas- oder Polymer-Substrate verwendet, deren Oberfläche mittels Anlagerung von Fasern oder Partikeln oder elektrochemischer Abscheidung von Polymeren rau oder porös gestaltet werden. Auch die aufeinanderfolgende Abscheidung von Nano- oder Mikropartikeln auf den Substraten führt zu ausreichend strukturierten Oberflächen. Die so strukturierte Oberfläche wird zusätzlich beispielsweise mit einem Perfluorkohlenstoff-Öl, chemisch funktionalisiert und anschließend mit einem hydrophoben Schmiermittel bedeckt, bestehend aus Flüssigkeiten, die eine hohe Affinität zur unterliegenden Oberfläche aufweisen, um das Schmiermittel zu immobilisieren. Die so hergestellten Oberflächen weisen, je nach Art des Imprägniermittels, eine hohe Phobizität gegen verschiedene Arten von Gasen und Flüssigkeiten auf. US Pat. No. 9,121,307 B2 likewise discloses a method for producing SLIPS. This metal, glass or polymer substrates are used, the surface of which are rough or porous designed by means of attachment of fibers or particles or electrochemical deposition of polymers. The sequential deposition of nanoparticles or microparticles on the substrates also leads to sufficiently structured surfaces. In addition, the surface thus structured is chemically functionalized with, for example, a perfluorocarbon oil and then covered with a hydrophobic lubricant consisting of liquids which have a high affinity to the underlying surface in order to immobilize the lubricant. Depending on the nature of the impregnating agent, the surfaces produced in this way have high phobicity against various types of gases and liquids.
WO 2012 100 099 A2 offenbart ebenfalls die Darstellung von SLIPS, wobei ein Imprägniermittel auf eine raue Oberfläche eines Substrats aufgetragen, wobei es in diese eindringt und sie gleichzeitig auch bedeckt. Dabei bildet sich an der Oberfläche eine flüssige äußere Schicht bzw. Film, welche durch das Substrat immobilisiert wird und beispielsweise eine abweisende Oberfläche bildet. WO 2012 100 099 A2 likewise discloses the representation of SLIPS, wherein an impregnating agent is applied to a rough surface of a substrate, penetrating into and simultaneously covering it. In the process, a liquid outer layer or film is formed on the surface, which is immobilized by the substrate and forms, for example, a repellent surface.
Das Material des Substrats ist dabei bevorzugt porös und kann ein Polymer, Metall, Edelstein, Glas, Kohlenstoff oder eine Keramik sein. Diese raue Oberfläche wird beispielsweise über Ätzprozesse oder Aufwachsen von Strukuren generiert Die raue Oberfläche kann dabei einen hierarchischen Aufbau mit mikro- und nanoskaligen Strukturen aufweisen. The material of the substrate is preferably porous and may be a polymer, metal, gemstone, glass, carbon or a ceramic. This rough surface is over for example Etching processes or growth of structures generated The rough surface can have a hierarchical structure with micro- and nanoscale structures.
Insbesondere perfluorierte Flüssigkeiten werden als Imprägniermittel offenbart. Dabei ist es wichtig, dass die raue Oberfläche und das aufgetragene Imprägniermittel von gleicher chemischer Natur sind. Optimal wäre sogar, wenn sowohl die Oberfläche als auch das Imprägniermittel gleiche funktionelle Gruppen aufweisen. Um diese Kompatibilität zu ermöglichen, wird die Oberflächen des porösen Materials zunächst modifiziert. So wird beispielsweise beschrieben, wie die OH Gruppen der Oberflächen mit Perfluorsilanen funktionalisiert werden können. In particular, perfluorinated liquids are disclosed as impregnating agents. It is important that the rough surface and the applied impregnating agent are of the same chemical nature. It would even be optimal if both the surface and the impregnating agent have the same functional groups. To enable this compatibility, the surfaces of the porous material are first modified. For example, it describes how the OH groups of the surfaces can be functionalized with perfluorosilanes.
Neben glatten omniphoben Oberflächen mit vollfluorierten Beschichtungen stellt also auch die Imprägnierung nanostrukturierter Oberflächen mit fluorhaltigen Imprägniermitteln eine attraktive Vorgehensweise zur effizienten Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 20 mN/m dar. In addition to smooth omniphobic surfaces with fully fluorinated coatings, the impregnation of nanostructured surfaces with fluorine-containing impregnating agents represents an attractive procedure for efficient droplet condensation of fluids with a surface tension of <20 mN / m.
Nachteilig konnten diese Beschichtungsverfahren nur auf regelmäßigen Substraten angewendet werden. Komplex gebaute Bauteile, wie die Oberfläche eines Wärmeübertragers sind auf diese Weise nicht funktionalisierbar. Disadvantageously, these coating methods could only be used on regular substrates. Complex components such as the surface of a heat exchanger can not be functionalized in this way.
Aus US 2,919,1 15 A sind imprägnierte poröse Kondensatoroberflächen bekannt, die eine effiziente Tropfenkondensation ermöglichen. Dafür werden Metallsubstrate zunächst einem nasschemischen Ätz- und Beizprozess unterzogen, um die Oberfläche porös zu gestalten. Eine anschließende Inkubation des Bauteils in einem hydrophoben Imprägniermittel, wie beispielsweise Ölsäure, führt zu einer hydrophoben Beschichtung, die aufgrund der Porosität der Oberfläche gut auf dem Substrat haftet. Gleichzeitig bilden die Poren eine Art Reservoir für das Imprägniermittel, sodass dieses über Kapillarkräfte immer wieder zur Oberfläche des Substrats transportiert werden kann, um eventuell mit dem Wasserdampf abgetragenes Imprägniermittel zu ersetzen. Damit wird eine konstante Hydrophobizität der Oberfläche gewährleistet. Nachteilig erfolgt der Ätz- und Beizprozess unter der Verwendung von Chromschwefelsäure, einer prozesstechnisch äußerst problematischen Chemikalie. From US Pat. No. 2,919,115 A, impregnated porous condenser surfaces are known which enable efficient dropwise condensation. For this purpose, metal substrates are first subjected to a wet-chemical etching and pickling process in order to make the surface porous. Subsequent incubation of the component in a hydrophobic impregnating agent, such as oleic acid, results in a hydrophobic coating which adheres well to the substrate due to the porosity of the surface. At the same time, the pores form a kind of reservoir for the impregnating agent, so that it can be repeatedly transported by capillary forces to the surface of the substrate in order to replace any impregnating agent which has been removed with the water vapor. This ensures a constant hydrophobicity of the surface. Disadvantageously, the etching and pickling process is carried out using chromosulfuric acid, a process technology extremely problematic chemical.
In MOFs können die Metallionen mehrdimensional über organische Linkermoleküle verknüpft sein. Diese Linkermoleküle können wiederum mehrere koordinierende funktionelle Gruppen aufweisen (S. Bauer und N. Stock,„MOFs-Metallorganische Gerüststrukturen. Funktionale poröse Materialien", Chemie in unserer Zeit, Bd. 42, Nr. 1 , S. 12-19, 2008). Aufgrund der koordinativen Bindungsverhältnisse und der organischen Moleküle in der Struktur weisen MOFs meist moderate Oberflächenenergien auf. Durch Modifizierung der Linker, wie z. B. Einführung von Ringsubstituenten bei aromatischen Systemen, ist es möglich, die physikochemischen Eigenschaften der MOF für individuelle Anwendungen anzupassen (T. K. Maji und S. Kitagawa,„Chemistry of porous coordination polymers", Pure Appl. Chem., Bd. 79, Nr. 12, S. 2155-2177, 2007). In MOFs, the metal ions can be multi-dimensionally linked via organic linker molecules. In turn, these linker molecules may have multiple coordinating functional groups (S. Bauer and N. Stock, "MOFs-Metal Organic Scaffolds, Functional Porous Materials," Chemistry in Our Time, Vol. 42, No. 1, pp. 12-19, 2008). Due to the coordinative bonding and the organic molecules in the structure, MOFs tend to have moderate surface energies, but modifying the linkers, such as the introduction of ring substituents in aromatic systems, allows the physicochemical properties of MOF to be adapted to individual applications ( TK Maji and S. Kitagawa, Chemistry of porous coordination polymers, Pure Appl. Chem., Vol. 79, No. 12, pp. 2155-2177, 2007).
Bezüglich hydrophober Oberflächenbeschichtungen sind aus der Literatur bisher nur MOF- Pulver oder MOF-Beschichtungen auf Glas mit hydrophoben oder superhydrophoben Eigenschaften bekannt. So beschreiben z. B. Meng et al. die Herstellung superhydrophober und somit superoleophiler Oberflächen durch Imprägnierung von Glasoberflächen, auf die MOF-Pulverpartikel mittels Tauchbeschichtung aufgebracht wurden, mit Stearinsäure und einem Perfluoralkylsilan (W. Meng, Z. Feng, F. Li, T. Li, und W. Cao,„Porous coordination polymer coatings fabricated from Cu3(BTC)2-3H20 with excellent superhydrophobic and superoleophilic properties", New J. Chem., Bd. 40, Nr. 12, S. 10554-10559, 2016). With regard to hydrophobic surface coatings, only MOF powders or MOF coatings on glass with hydrophobic or superhydrophobic properties have hitherto been known from the literature. To describe z. B. Meng et al. the preparation of superhydrophobic and thus superoleophilic surfaces by impregnation of glass surfaces to which MOF powder particles have been dip coated with stearic acid and a perfluoroalkylsilane (Meng W., Z. Feng, F. Li, T. Li, and W. Cao) Porous coordination polymer coatings fabricated from Cu3 (BTC) 2-3H20 with excellent superhydrophobic and superoleophilic properties ", New J. Chem., Vol. 40, No. 12, pp. 10554-10559, 2016).
Weitere Publikationen widmen sich der Hydrophobisierung von MOF-Pulvern, wie T.-H. Chen, I. Popov, O. Zenasni, O. Daugulis, und O. S. Miljanic,„Superhydrophobic perfluorinated metal- organic frameworks", Chem. Commun., Bd. 49, Nr. 61 , S. 6846-6848, 2013 oder J. G. Nguyen und S. M. Cohen, „Moisture-resistant and superhydrophobic metal-organic frameworks obtained via postsynthetic modification", J. Am. Chem. Soc, Bd. 132, Nr. 13, S. 4560-4561 , 2010. Other publications are devoted to the hydrophobization of MOF powders, such as T.-H. Chen, I. Popov, O. Zenasni, O. Daugulis, and OS Miljanic, "Superhydrophobic perfluorinated metalorganic frameworks", Chem. Commun., Vol. 49, No. 61, pp. 6846-6848, 2013 or JG Nguyen and SM Cohen, "Moisture-resistant and superhydrophobic metal-organic frameworks via postsynthetic modification", J. Am. Chem. Soc., Vol. 132, No. 13, pp. 4560-4561, 2010.
Die (super-)hydrophoben Eigenschaften der MOF-Pulver werden durch prä- oder postsynthetische Funktionalisierung der Linkermoleküle oder Imprägnierung erreicht. Bei Beschichtungen wird die Hydrophobizität zusätzlich durch Größenunterschiede von zusammengelagerten MOF-Partikeln im Mikrometerbereich begünstigt. Gegenüber Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung (z. B. übliche Kälte- und Lösungsmittel) sind bisherige (super-)hydrophobe MOF-Beschichtungen jedoch nicht abweisend, sondern es tritt sogar eine vollständige Benetzung ein. Die Oberflächen würden bei der Kondensation durch Keimbildung innerhalb der porösen Oberflächenstrukturen vom Kondensat„geflutet" und es käme zur Filmkondensation. The (super) hydrophobic properties of the MOF powders are achieved by pre- or postsynthetic functionalization of the linker molecules or impregnation. For coatings, the hydrophobicity is additionally promoted by size differences of microfluidic MOF particles. Compared to liquids with low surface tension (eg conventional refrigerants and solvents), however, previous (super) hydrophobic MOF coatings are not repellent, but even complete wetting occurs. The surfaces would be "flooded" by the condensate in the condensation by nucleation within the porous surface structures and it would come to film condensation.
Bei schmiermittelimprägnierten Oberflächen (LIS) ist dagegen eine Tropfenkondensation von Fluiden mit geringer Oberflächenspannung möglich. Diese wurden jedoch bisher nur durch aufwändige, z. B. photolithographische Nanostrukturierungsprozesse hergestellt. Bei den bekannten LIS wird zudem mit einer hydrophoben Funktionalisierung des Grundmaterials gearbeitet. Nachteilig weisen die so aufgebrachten Beschichtungen eine geringe mechanische Stabilität auf. Die Schmiermittel werden von der photolithographisch strukturierten Oberfläche teilweise durch die kondensierenden Flüssigkeiten wieder abgetragen oder ausgewaschen. Beschichtungsverfahren für komplexe Bauteile sind zudem mit diesen Verfahren nicht möglich. Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung stabiler, omniphober Oberflächenbeschichtungen bereitzustellen, die u.a. eine effiziente Tropfenkondensation von organischen und/oder wasserfreien Fluiden mit einer niedrigen Oberflächenspannung ermöglichen. In the case of lubricant-impregnated surfaces (LIS), on the other hand, droplet condensation of fluids with low surface tension is possible. However, these have so far been only complicated, z. B. photolithographic nanostructuring processes. In the known LIS is also working with a hydrophobic functionalization of the base material. Disadvantageously, the coatings applied in this way have low mechanical stability. The lubricants are partially removed from the photolithographically structured surface again by the condensing liquids or washed out. Moreover, coating processes for complex components are not possible with these processes. The object of the invention is to provide a simple process for the production of stable, omniphobic surface coatings which, inter alia, enable efficient dropwise condensation of organic and / or anhydrous fluids with a low surface tension.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten The object is achieved by a method for coating components with an omniphobic surface coating, containing at least one organometallic skeleton compound and an impregnating agent, with the steps
Elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel, Electrochemical deposition of the organometallic framework compound on the component by means of electrolysis, of an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent,
Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung wobei das Metallion  Application of an impregnating agent to the organometallic skeleton compound wherein the metal ion
i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist  i) is dissolved as metal ion salt in the electrolyte solution
und/oder  and or
ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert wird und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt wird und wobei das Bauteil a) gleichzeitig Elektrode ist  ii) is generated by electrolytic oxidation or reduction of a contained in the component and / or electrode metal ion precursor at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution and wherein the component a) is simultaneously electrode
oder  or
b) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird, wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist, wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von <30 mN/m aufweist.  b) is introduced into an electric field between at least two electrodes, wherein the linker compound is an organic, at least monodentate compound, wherein the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN / m.
Die Herstellung der omniphoben Oberflächenbeschichtung auf dem Bauteil erfolgt erfindungsgemäß durch elektrochemische Abscheidung einer Schicht aus mindestens einer metallorganischen (Gerüst)Verbindung und anschließendes Aufbringen eines Imprägniermittels. The preparation of the omniphobic surface coating on the component is carried out according to the invention by electrochemical deposition of a layer of at least one organometallic (framework) compound and subsequent application of an impregnating agent.
Erfindungsgemäß erfolgt im ersten Schritt die elektrochemische Abscheidung der metallorganischen (Gerüst)Verbindung auf der Oberfläche des Bauteils. According to the invention, in the first step, the electrochemical deposition of the organometallic (framework) compound takes place on the surface of the component.
Dabei muss mindestens ein Bestandteil der MOF-Beschichtung (Linkerverbindung und/oder Metallion) an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung gebildet werden, um den Beschichtungsvorgang zu initiieren. In einer Ausführungsform erfolgt die elektrochemische Abscheidung potentiostatisch, galvanostatisch und/oder mit Strom- und/oder mit Spannungspulsen. Potentiostatisch und galvanostatische Prozessführung sind bevorzugt für homogene Beschichtungen. Gepulste Prozessführung wird vorzugsweise für strukturierte Beschichtungen eingesetzt, bei denen Abstände von mehreren Mikrometern zwischen beschichteten Bereichen erzeugt werden. In this case, at least one constituent of the MOF coating (linker compound and / or metal ion) must be formed at the interface between the component and the electrolyte solution in order to initiate the coating process. In one embodiment, the electrochemical deposition takes place potentiostatically, galvanostatically and / or with current and / or voltage pulses. Potentiostatic and galvanostatic process control are preferred for homogeneous coatings. Pulsed process control is preferably used for structured coatings in which spacings of several microns are produced between coated areas.
Dazu wird das Bauteil entweder in eine Elektrolytlösung getaucht und/oder mit einer Elektrolytlösung befüllt. For this purpose, the component is either immersed in an electrolyte solution and / or filled with an electrolyte solution.
Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel. According to the invention, the electrolyte solution contains at least one linker compound and a solvent.
Metallorganische Gerüstverbindungen werden aus Metallionen und organischen Molekülen (Linkerverbindungen) gebildet, welche als Verbindungselemente zwischen den Metallionen, welche Knotenpunkte bilden, fungieren. Die Linkerverbindungen gehen dabei koordinative Bindungen mit dem Metallion ein und es können ein-, zwei- und dreidimensional Netzwerke ausgebildet werden. Organometallic framework compounds are formed from metal ions and organic molecules (linker compounds) which act as connecting elements between the metal ions which form nodes. The linker compounds enter into coordinative bonds with the metal ion and one-, two- and three-dimensional networks can be formed.
Erfindungsgemäß ist die Linkerverbindung eine mindestens einzähnige, organische Verbindung oder eine Mischung mehrerer dieser Verbindungen. According to the invention, the linker compound is an at least monodentate organic compound or a mixture of several of these compounds.
Der Begriff "mindestens einzähnige" organische Verbindung, bezeichnet eine organische Verbindung, die mindestens eine funktionelle Gruppe enthält, die in der Lage ist, mit einem gegebenen Metallion mindestens eine koordinative Bindung, auszubilden. The term "at least monodentate" organic compound refers to an organic compound containing at least one functional group capable of forming at least one coordinate bond with a given metal ion.
Im Sinne der Erfindung werden auch Komplexverbindungen als metallorganische Gerüstverbindung bezeichnet, bei denen die organischen Linkermoleküle nur eine funktionelle Gruppe enthalten, die in der Lage ist, mit einem Metallion eine koordinative Bindung einzugehen, bzw. welche mit jeweils nur einer funktionellen Gruppe am Metallion koordinieren. Ein Gerüst kann dabei trotzdem entstehen, weil zwei Linkermoleküle beispielsweise durch Wasserstoffbrückenbindung miteinander verbunden sein können. Diese 2 einzähnigen Linker bilden dann eine Koordinationseinheit, die im Ergebnis wie eine zweizähnige Linkerverbindung funktioniert. For the purposes of the invention, complex compounds are also referred to as organometallic framework compounds in which the organic linker molecules contain only one functional group which is capable of coordinating with a metal ion or which coordinate with only one functional group on the metal ion. A scaffold can nevertheless arise because two linker molecules can be linked to one another, for example by hydrogen bonding. These two monodentate linkers then form a coordination unit, which in effect works like a bidentate linker compound.
In einer Ausführungsform enthält die organische, mindestens einzähnige Verbindung mindestens eine funktionelle Gruppe ausgewählt aus Carboxylatgruppen, Sulfonatgruppen, Phosphonatgruppen, Imidazolatgruppen, Pyridingruppen, Phenanthrolingruppen, Triazolatgruppen und/oder Tetrazolatgruppen. In one embodiment, the organic, at least monodentate compound contains at least one functional group selected from carboxylate groups, sulfonate groups, phosphonate groups, imidazolate groups, pyridine groups, phenanthroline groups, triazolate groups and / or tetrazolate groups.
In einer Ausführungsform ist die Linkerverbindung ein Imdidazolat. In one embodiment, the linker compound is an imidazolate.
In einer Ausführungsform ist die Linkerverbindung ausgewählt aus 1 .4- Benzendicarboxylaten (BDC) In one embodiment, the linker compound is selected from 1 .4-Benzene dicarboxylates (BDC)
Tetramethyl-1 ,4-benzendicarboxylaten (TBDC) Tetramethyl-1,4-benzene dicarboxylate (TBDC)
2- Amino-1 ,4-benzendicarboxylaten (NH2-BDC)  2-amino-1,4-benzene dicarboxylates (NH 2 -BDC)
1 ,3,5-Benzentricarboxylaten (BTC) 1, 3,5-benzenetricarboxylates (BTC)
2,6-Naphthalendicarboxylaten (NDC) 2,6-naphthalenedicarboxylates (NDC)
Biphenyl-3,4',5-tricarboxylaten (BPT) Biphenyl-3,4 ' , 5-tricarboxylates (BPT)
2'-Fluoro-biphenyl-3,4'-5-tricarboxylaten 2 '-fluoro-biphenyl-3,4' -5-tricarboxylates
Benzen-2,5-dihydroxy-1 ,4-dicarboxylaten (dhbcd)Benzen-2,5-dihydroxy-1,4-dicarboxylates (dhbcd)
2.5- Dimethoxy-1 ,4-benzendicarboxylaten (DMBDC) Benzenhexacarboxylaten (BHC) 2.5-dimethoxy-1,4-benzene dicarboxylate (DMBDC) benzene hexacarboxylate (BHC)
Furan-2,5-dicarboxylaten (fdc) Furan-2,5-dicarboxylates (fdc)
Pyridine-2,6-dicarboxylaten (pda, dpa) Pyridine-2,6-dicarboxylates (pda, dpa)
4-Hydroxyquinoline-2-carboxylaten ( qc) 4-hydroxyquinoline-2-carboxylates (qc)
2,2'-Biquinoline-4,4'-dicarboxylaten (bqdc) 2,2 '-Biquinoline-4,4' -dicarboxylaten (bqdc)
3- Hydroxypyrazine-2-carboxylaten (hpzc)  3-hydroxypyrazine-2-carboxylates (hpzc)
2,3-Pyrazindicarboxylaten (pza) 2,3-pyrazinedicarboxylates (pza)
lmidazole-4,5-dicarboxylaten (IDC) imidazole-4,5-dicarboxylates (IDC)
4,5-lmidazoldicarboxylaten (imidc) 4,5-imidazoledicarboxylates (imidc)
2-Propyl-1 H-imidazol-4,5-dicarboxylaten (Hpimda) 2-Propyl-1H-imidazole-4,5-dicarboxylates (Hpimda)
4- (1 H-Tetrazol-5-yl)-biphenyl-3-carboxylaten (tbca) Thiophen-2,5-dicarboxylaten (TDC, TDA) 4- (1H-tetrazol-5-yl) -biphenyl-3-carboxylates (tbca) thiophene-2,5-dicarboxylates (TDC, TDA)
9,9-Dimethylfluoren-2,7-dicarboxylaten (MFDA) 9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylates (MFDA)
Polychlorotriphenylmethyltricarboxylatradikalen (PTMTC)Polychlorotriphenylmethyltricarboxylate radicals (PTMTC)
1 .5- Naphtalendisulfonaten (1 ,5-NDS) 1: 5-naphthalenedisulfonates (1, 5-NDS)
2.6- Naphtalendisulfonaten (2,6-NDS)  2.6- Naphtalene disulfonates (2,6-NDS)
Anthrachinone-2,6-disulfonaten (AQDS) 4,4'-Oxybenzoaten (OBA) Anthraquinone-2,6-disulfonates (AQDS) 4,4 '-Oxybenzoaten (OBA)
3,5-Disulfobenzoaten (dsb)  3,5-disulfobenzoates (dsb)
4!4' !4"-S-triazine-2!4,6-triyl-tribenzoaten (TATB) 4 ! 4 ' ! 4 " -S-triazines-2 : 4,6-triyl-tribenzoates (TATB)
1 ,3,5-Benzentrisbenzoaten (BTB)  1, 3,5-Benzene tris benzoate (BTB)
4,4'-Biphenyldicarboxylsäuren (BPDC) 4,4 '-Biphenyldicarboxylsäuren (BPDC)
Cis-1 ,3,5-cyclohexanetricarboxylsäuren (CTC)  Cis-1, 3,5-cyclohexanetricarboxylic acids (CTC)
Pyrazindicarboxylsäuren (h pzdc)  Pyrazine dicarboxylic acids (h pzdc)
1 ,1 '-Phenanthroline-2,9-dicarboxylsäuren (H2p enDCA) 1, 1 '-Phenanthroline-2,9-dicarboxylic acids (H2P enDCA)
2,5-Pyridindicarboxylsäuren (h pydc)  2,5-pyridinedicarboxylic acids (h pydc)
4,5-lmidazoldicarboxylsäuren (HsImDC)  4,5-imidazoledicarboxylic acids (HsImDC)
4!4'-Bipyridine-2!2' !6,6'-tetracarboxylsäuren (H4BPTCA) 4 ! 4 '-Bipyridine-2! 2 ' ! 6,6 '-tetracarboxylsäuren (H 4 BPTCA)
4,4'-(Hexafluoroisopropylidene)bis(benzoesäuren) (H2 fipbb) 4,4 ' - (hexafluoroisopropylidenes) bis (benzoic acids) (H2 fipbb)
4,4-[(2,5-Dimethoxy-1 ,4-phenylene)-di-2,1 -ethenediyl]bisbenzoesäuren (H2pvdc) 4,4 - [(2,5-dimethoxy-1,4-phenylene) -di-2,1-tethenediyl] bisbenzoic acid (H2pvdc)
(Carboxymethyl)iminodi(methylphosphonsäuren) (h cmp) (Carboxymethyl) iminodi (methylphosphonic acids) (h cmp)
2-Aminoterephtalsäuren (H2ATPT)  2-aminoterephthalic acids (H2ATPT)
Etidronsäuren (H5 edp) Etidronic acids (H 5 edp)
2-(Carboxylsäure)-6-(2-benzimidazolyl)pyridinen (Hcbmp)  2- (carboxylic acid) -6- (2-benzimidazolyl) pyridines (Hcbmp)
Phosphonoessigsäuren (H3PPA) Phosphonoacetic acids (H3PPA)
Tris-(4-carboxyphenyl)-phosphinoxiden (H3TPO) Tris (4-carboxyphenyl) phosphine oxides (H3TPO)
Tris-(benzimidazol-2-ylmethyl)aminen (ntb) Tris (benzimidazol-2-ylmethyl) amines (ntb)
1 ,4-Phenylendiacetaten (pda) 1, 4-phenylenediacetates (pda)
1 ,1 ',1 "-(2,4,6)-trimethylbenzen-1 ,3,5-triyl)tris(methylene)tripyridinium-4-oleaten (TTP)1,1,1 ' , 1 " - (2,4,6) -trimethylbenzene-1,3,5-triyl) tris (methylene) tripyridinium-4-oleate (TTP)
1 ,1 '-Phenanthrolinen (phen) 1, 1 ' phenanthrolines (phen)
1 ,3-Benzenditetrazol-5-ylen (m-BDTH)  1,3-Benzenditetrazol-5-ylene (m-BDTH)
5-(Pyridin-4-yl)isophtalaten (PIA)  5- (pyridin-4-yl) isophthalates (PIA)
5-Tert-butyliisophtalaten (tip) Methylisophtalaten (mip) Imidazolaten (Im) 1 ,2,3-Triazolaten (Tz) 4,4'-Bipyridinen (bipy) 1 ,2,3-Triazolato[4,5-b]pyridinen (tzpy) Tricarboxylato-triphenylaminen (tca) Adipaten (ad) 5-tert-butyl-isophthalates (tip) Methyl isophthalates (mip) Imidazolates (Im) 1, 2,3-Triazolaten (Tz) 4,4 ' -Bipyridines (bipy) 1, 2,3-Triazolato [4,5-b] pyridines (tpy) Tricarboxylato-triphenylamines (tca Adipates (ad)
2-Fluoro-4-(1 H-tetrazol-5-yl)benzoaten (FTZB) 4,4',4"-(Benzentricarbonyltris-(azanediyl))tribenzoaten (BTATB) 1 ,1 ',1 "-(Benzen-1 ,3,5-triyl)tripiperidine-4-carboxylaten (BTPCA) 1 ,10-Bis(4-carboxybenzyl)-4,40-bipyridinen (BPYBC) Glutaraten (glu) Succinaten (succ) Isonicotinaten (Ina) Fumaraten (fma) 2-Fluoro-4- (1 H-tetrazol-5-yl) benzoates (FTZB) 4,4 ', 4 "- (Benzentricarbonyltris- (azanediyl)) tribenzoates (BTATB) 1, 1', 1" - (benzene- 1, 3,5-triyl) tripiperidine-4-carboxylates (BTPCA) 1, 10-bis (4-carboxybenzyl) -4,40-bipyridines (BPYBC) glutarates (glu) succinates (succ) isonicotinates (Ina) fumarates (fma )
In einer Ausführungsform wird die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet. In one embodiment, the linker compound is formed during the electrolysis of at least one linker precursor compound.
Im Sinne der Erfindung ist eine Linkervorläuferverbindung eine Verbindung, aus welcher durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ die korrespondierende Linkerverbindung generiert wird. Dies kann beispielsweise durch elektrolytische oder elektrolytisch induzierte Substitution, Addition, Reduktion, Spaltung, Ringschlussreaktion, Ringöffnungsreaktion, Deprotonierung, Protonenübertragung und/oder Radikalreaktion erfolgen. For the purposes of the invention, a linker precursor compound is a compound from which the corresponding linker compound is generated in situ by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction. This can be done for example by electrolytic or electrolytically induced substitution, addition, reduction, cleavage, ring closure reaction, ring-opening reaction, deprotonation, proton transfer and / or radical reaction.
In einer Ausführungsform ist die Linkervorläuferverbindung ausgewählt aus den freien Säuren oder Anhydriden der Linkerverbindung. Die Linkervorläuferverbindungen für die Linkerverbindungen Imidazolate, Triazolate und Tetrazolate sind jeweils deren korrespondierende Imidazole, Triazole oder Tetrazole. In one embodiment, the linker precursor compound is selected from the free acids or anhydrides of the linker compound. The linker precursor compounds for the linker compounds imidazolates, triazolates and tetrazolates are each their corresponding imidazoles, triazoles or tetrazoles.
In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtkonzentration der Linkerverbindung und/oder Linkervorläuferverbindung in der Elektrolytlösung 0,001 mol/l bis 2,500 mol/l, bevorzugt 0,01 mol/l bis 1 ,5 mol/l, besonders bevorzugt 0,01 mol/l bis 0,5 mol/l. In einer Ausführungsform wird durch die elektrochemische Umsetzung mindestens eines Bestandteils der Elektrolytlösung während der Elektrolyse die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der Linkervorläuferverbindung ausgelöst. In one embodiment, the total concentration of the linker compound and / or linker precursor compound in the electrolytic solution is from 0.001 mol / l to 2.500 mol / l, preferably from 0.01 mol / l to 1.5 mol / l, particularly preferably from 0.01 mol / l to 0 , 5 mol / l. In one embodiment, the electrochemical reaction of at least one component of the electrolyte solution during the electrolysis triggers the chemical reaction to form the linker compound from the linker precursor compound.
Bestandteil der Elektrolytlösung sind beispielsweise Metallionensalz, Leitsalz, Lösungsmittel und/oder strukturdirigierendes Additiv. Component of the electrolyte solution are, for example, metal ion salt, conductive salt, solvent and / or structure-directing additive.
Beispielsweise kann sich durch die kathodische Reduktion eines Nitratsalzes in der Elektrolytlösung, bei welcher Hydroxidionen gebildet werden, der pH-Wert soweit ändern, dass z. B. Säuregruppen deprotoniert werden und beispielsweise aus den freien Carbonsäuren die Linkercarboxylate entstehen. For example, by the cathodic reduction of a nitrate salt in the electrolyte solution, in which hydroxide ions are formed, the pH can change so much that z. As acid groups are deprotonated and, for example, arise from the free carboxylic acids, the linker carboxylates.
In einer Ausführungsform erfolgt die Deprotonierung von Säure- oder Imidazolgruppen durch Änderung des pH-Wertes, beispielsweise durch Wasserzersetzung bei der Elektrolyse. In one embodiment, the deprotonation of acid or imidazole groups takes place by changing the pH, for example by water decomposition during the electrolysis.
Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens ein Lösungsmittel. Erfindungsgemäß umfasst der Begriff Lösungsmittel reine Lösungsmittel, die nur eine Lösungsmittelkomponente umfassen, sowie Lösungsmittelgemische, das heißt Mischungen aus mindestens zwei Lösungsmittelkomponenten. According to the invention, the electrolyte solution contains at least one solvent. According to the invention, the term solvent comprises pure solvents which comprise only one solvent component and also solvent mixtures, that is to say mixtures of at least two solvent components.
Als Lösungsmittel sind grundsätzlich alle Lösungsmittel und/oder alle Lösungsmittelgemische denkbar, in denen sich die im Verfahren eingesetzten Edukte unter den gewählten Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur lösen lassen. In principle, all solvents and / or all solvent mixtures in which the starting materials used in the process can be dissolved under the chosen reaction conditions, such as pressure and temperature, are conceivable as solvents.
In einer Ausführungsform ist das Lösungsmittel ausgewählt aus Wasser; Alkoholen, Carbonsäuren, Nitrilen, Ketonen, halogenierten Alkanen, Säureamiden, Aminen, Sulfoxiden, Pyridin, N-Formylamiden, N-Acylamiden, aliphatischen Ethern und/oder cyclischen Ethern und/oder deren Gemischen. In one embodiment, the solvent is selected from water; Alcohols, carboxylic acids, nitriles, ketones, halogenated alkanes, acid amides, amines, sulfoxides, pyridine, N-formylamides, N-acylamides, aliphatic ethers and / or cyclic ethers and / or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform fungieren Lösungsmittelmoleküle gleichzeitig als Linkervorläuferverbindungen. In one embodiment, solvent molecules simultaneously function as linker precursor compounds.
In einer Ausführungsform enthält die Elektrolytlösung zusätzlich ein Leitsalz und/oder strukturdirigierendes Additiv. In one embodiment, the electrolyte solution additionally contains a conductive salt and / or structure-directing additive.
Als Leitsalz oder Leitadditiv werden Verbindungen bezeichnet, welche die Leitfähigkeit der Elektrolytlösung heraufsetzen, um die Homogenität der elektrochemisch abgeschiedenen Beschichtung zu beeinflussen. Durch eine Erhöhung der Leitfähigkeit der Elektrolytlösung wird der ohmsche Widerstand während der Abscheidung gesenkt, was dazu führt, dass das elektrische Feld homogener ist. Dies führt zu einer gleichmäßigeren (räumlichen) Verteilung des Auflösungsstroms und damit zu einer abgeschiedenen Beschichtung, die vor allem bezüglich der Schichtdicke gleichmäßiger strukturiert ist. Im Sinne der Erfindung versteht man unter einem Leitsalz auch eine Mischung mehrerer Leitsalze. Conducting salt or conductive additive refers to compounds which increase the conductivity of the electrolyte solution in order to influence the homogeneity of the electrodeposited coating. By increasing the conductivity of the electrolyte solution, the ohmic resistance is lowered during the deposition, which results in the electric field being more homogeneous. This leads to a more uniform (spatial) distribution of the dissolution stream and thus to a deposited coating, which is more uniformly structured, especially with regard to the layer thickness. For the purposes of the invention, a conductive salt is understood as meaning a mixture of a plurality of conductive salts.
In einer Ausführungsform ist das Leitsalz ausgewählt aus organischen und/oder anorganischen Salzen. In one embodiment, the conductive salt is selected from organic and / or inorganic salts.
In einer Ausführungsform ist das organische Salz ausgewählt aus organischen Sulfaten, Sulfonaten, Boraten, Phosphaten, Phosphonaten, Carboxylaten und/oder Ammoniumsalzen. In einer Ausführungsform sind die Ammoniumsalze ausgewählt aus ammoniumtensidischen Salzen. In one embodiment, the organic salt is selected from organic sulfates, sulfonates, borates, phosphates, phosphonates, carboxylates and / or ammonium salts. In one embodiment, the ammonium salts are selected from ammonium surfactant salts.
Ammoniumtensidisch im Sinne der Erfindung sind Salze, enthaltend quaternäre Ammoniumionen NR4 +, wobei R ausgewählt ist aus H und/oder AI kyl, wobei alle R gleich oder verschieden voneinander sein können und wobei mindestens ein Rest R mindestens 2 C- Atome enthält. Ammonium surfactant in the context of the invention are salts containing quaternary ammonium ions NR 4 + , wherein R is selected from H and / or AI alkyl, wherein all R may be the same or different and wherein at least one radical R contains at least 2 C-atoms.
In einer Ausführungsform sind die Ammoniumsalze ausgewählt aus ammoniumtensidischen Methylsulfaten, bevorzugt Methyltributylammonium-methylsulfat, Ammoniumhydroxiden, bevorzugt Tetrabutylammoniumhydroxid, ammoniumtensidischen Tetrafluoroboraten, bevorzugt Tetrabutylammonium-tetrafluoroborat und ammoniumtensidischen Hexafluorophosphaten, bevorzugt Tetrabutylammonium-hexafluorophosphat. In one embodiment, the ammonium salts are selected from ammonium surfactant methylsulfates, preferably methyltributylammonium methylsulfate, ammonium hydroxides, preferably tetrabutylammonium hydroxide, ammonium surfactant tetrafluoroborates, preferably tetrabutylammonium tetrafluoroborate and ammonium surfactant hexafluorophosphates, preferably tetrabutylammonium hexafluorophosphate.
In einer Ausführungsform sind die Carboxylate ausgewählt aus Acetaten und/ oder Oxalaten. In one embodiment, the carboxylates are selected from acetates and / or oxalates.
In einer Ausführungsform ist das anorganische Salz ausgewählt aus Nitraten, Nitriten, Sulfaten, Sulfiten, Disulfiten, Sulfiden, Carbonaten, Hydrogencarbonaten, Phosphaten, Hydrogenphosphaten, Dihydrogenphosphaten, Pyrophosphaten, Chromaten, Cyanosalzen, Hydroxiden, Chloriden, Perchloraten, Chloraten, Bromiden, Bromaten, Tetrafluoroboraten, lodiden, lodaten und/oder Fluoriden, bevorzugt aus Nitraten und/oder Sulfaten. In one embodiment, the inorganic salt is selected from nitrates, nitrites, sulfates, sulfites, disulfites, sulfides, carbonates, bicarbonates, phosphates, hydrogen phosphates, dihydrogen phosphates, pyrophosphates, chromates, cyanogen salts, hydroxides, chlorides, perchlorates, chlorates, bromides, bromates, tetrafluoroborates , iodides, iodates and / or fluorides, preferably nitrates and / or sulfates.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Leitsalzes in der Elektrolytlösung 0,01 mol/l bis 2,00 mol/l, bevorzugt 0,05 mol/l bis 0,5 mol/l. In one embodiment, the concentration of the conductive salt in the electrolytic solution is 0.01 mol / l to 2.00 mol / l, preferably 0.05 mol / l to 0.5 mol / l.
In einer Ausführungsform enthält die Elektrolytlösung zusätzlich ein strukturdirigierendes Additiv. In one embodiment, the electrolyte solution additionally contains a structure-directing additive.
Als strukturdirigierende Additive bezeichnet man Verbindungen, die zeitlich begrenzt oder dauerhaft eine Strukturierung einer Verbindung in einer bestimmten räumlichen Art und Weise gezielt hervorrufen bzw. dirigieren. Zeitlich begrenzt heißt, dass das dirigierende Molekül nicht in die Struktur eingebaut wird und diese z. B. durch Auswaschen mit einem Lösungsmittel nach der Reaktion wieder verlässt aber die gebildete Struktur erhalten bleibt. Zeitlich unbegrenzt heißt, dass das dirigierende Molekül entweder Bestandteil der neuen Struktur wird oder aber als eigenständiges Molekül in der Struktur verbleibt, z. B. in einer Pore, bei einem porösen Material. Structurally-conducting additives are compounds which temporarily or permanently cause or direct structuring of a compound in a specific spatial manner. Temporally means that the directing molecule is not incorporated into the structure and this z. B. by washing with a solvent after the reaction leaves again but the structure formed is maintained. Unlimited in time means that the directing molecule either becomes part of the new structure or else remains as an independent molecule in the structure, for. B. in a pore, in a porous material.
Im Sinne der Erfindung versteht man unter einem strukturdirigierenden Additiv auch eine Mischung mehrerer strukturdirigierender Additive. For the purposes of the invention, a structure-directing additive is also understood to mean a mixture of several structure-directing additives.
In einer Ausführungsform sind die strukturdirigierenden Additive ausgewählt aus anionischen, kationischen und/oder neutralen Tensiden. In one embodiment, the structure-directing additives are selected from anionic, cationic and / or neutral surfactants.
In einer Ausführungsform sind die strukturdirigierenden Additive ausgewählt aus Imidazolen, Pyridinen, Acetaten, Oxalaten, Citraten, Laurylsulfaten, organischen Ammoniumsalzen, bevorzugt aus Imidazolen und Ammoniumsalzen. In one embodiment, the structure-directing additives are selected from imidazoles, pyridines, acetates, oxalates, citrates, lauryl sulfates, organic ammonium salts, preferably from imidazoles and ammonium salts.
Erfindungsgemäß enthält die Elektrolytlösung mindestens ein Metallion. According to the invention, the electrolyte solution contains at least one metal ion.
Im Sinne der Erfindung ist dies das zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion oder eine Mischung mehrerer verschiedener Metallionen. For the purposes of the invention, this is the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound or a mixture of several different metal ions.
In einer Ausführungsform ist das mindestens eine Metallion zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung ausgewählt aus Cu+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Al3+, Mg2+, Ti4+, Ti3+, Zr4*, Mn3+, Mn4+, Cr3", V2+, V3+, V4+, Mo3+, W3+, Ni2+, ΝΓ, Ag+, Au+, Sn2+, Sn4+, Si2+, Si4+, Pb2+, Pb4+ und/ oder Zn2+, bevorzugt Cu2+, Fe2+, Fe3+, Al3+ und/oder Zn2+. In one embodiment, the at least one metal ion for synthesis of the organometallic framework compound is selected from Cu + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Al 3+ , Mg 2+ , Ti 4+ , Ti 3+ , Zr 4 *, Mn 3+ , Mn 4+ , Cr 3 ", V 2+ , V 3+ , V 4+ , Mo 3+ , W 3+ , Ni 2+ , ΝΓ, Ag + , Au + , Sn 2+ , Sn 4+ , Si 2+ , Si 4+ , Pb 2+ , Pb 4+ and / or Zn 2+ , preferably Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Al 3+ and / or Zn 2+ .
Erfindungsgemäß wird das mindestens eine Metallion entweder i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst According to the invention, the at least one metal ion is dissolved either i) as the metal ion salt in the electrolytic solution
und/oder  and or
ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt.  ii) generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution.
Metallionenvorläufer, oder auch Metallionenvorläuferverbindung, bezeichnet die Verbindung, in der das für die Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion, insbesondere chemisch gebunden, vorliegt. Der Metallionenvorläufer enthält also das für die Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion in - insbesondere chemisch - gebundener Form, welches noch nicht die für die Synthese der MOF notwendige Oxidationsstufe aufweist. Durch Oxidation oder Reduktion dieses Metallionenvorläufers oder der Metallionenvorläuferverbindung bei der Elektrolyse wird das Metallion in der Elektrolytlösung bereitgestellt. Metal ion precursor, or metal ion precursor compound, denotes the compound in which the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound, in particular chemically bonded, is present. The metal ion precursor therefore contains the metal ion necessary for the synthesis of the organometallic skeleton compound in-in particular chemically-bonded form, which does not yet have the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF. By oxidation or reduction of this metal ion precursor or the metal ion precursor compound in the electrolysis, the metal ion is provided in the electrolytic solution.
Der Metallionenvorläufer ist erfindungsgemäß in Bauteil und/oder Elektrode enthalten. Will man beispielsweise eine MOF-Beschichtung mit Mn2+ als Metallion herstellen, so kann das Bauteil und/oder die Elektrode Mangan als Metall oder Manganoxid (z. B. MnÜ2 oder Μη3θ4) als Metallionenvorläufer enthalten. The metal ion precursor according to the invention is contained in the component and / or electrode. If, for example, one wishes to produce a MOF coating with Mn 2+ as metal ion, the component and / or the electrode may contain manganese as metal or manganese oxide (eg MnO 2 or ηη 3θ 4 ) as metal ion precursor.
Metallisches Mangan wird dann (anodisch) oxidiert, um Mn2+ in der Elektrolytlösung zu erzeugen; Manganoxide wie MnÜ2 oder Mn304 würden (kathodisch) reduziert (Mn4+ zu Mn2+ bzw. Mn3+ zu Mn2+). Metallic manganese is then oxidized (anodically) to produce Mn 2+ in the electrolyte solution; Manganese oxides such as MnÜ2 or Mn30 4 would be reduced (cathodically) (Mn 4+ to Mn 2+ and Mn 3+ to Mn 2+, respectively).
Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Metallion in Variante i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst. Das Metallion weist dann bereits die für die Synthese der MOF notwendige Oxidationsstufe auf. According to the invention, the at least one metal ion in variant i) is dissolved in the electrolyte solution as metal ion salt. The metal ion then already has the necessary for the synthesis of MOF oxidation state.
Dann gilt, dass die Linkerverbindung elektrolytisch oder elektrochemisch induziert aus einer Linkervorläuferverbindung an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrode generiert wird. Then, the linker compound is electrolytically or electrochemically induced from a linker precursor compound at the interface between the device and the electrode.
Dann wird die Linkerverbindung in der Elektrolytlösung durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ aus der/den korrespondierenden Linkervorläuferverbindung/en an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert. Then, the linker compound in the electrolyte solution is generated in-situ from the corresponding linker precursor compound (s) at the interface between the component and electrolyte solution by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction.
Das mindestens eine Metallion kann ein, in Form eines entsprechenden Metallionensalzes vorliegender Elektrolytbestandteil sein, also in der Elektrolytlösung gelöst vorliegen. Dann hat das Metallion bereits die für die Synthese der MOF notwendige Oxidationsstufe. The at least one metal ion may be an electrolyte component present in the form of a corresponding metal ion salt, that is to say may be present dissolved in the electrolyte solution. Then the metal ion already has the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF.
In einer Ausführungsform wird dazu ein Metallsalz, enthaltend ein Metallion in der für die Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe, direkt in der Elektrolytlösung gelöst. In one embodiment, a metal salt containing a metal ion in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF is dissolved directly in the electrolyte solution.
In einer Ausführungsform beträgt die Konzentration des Metallionensalzes oder einer Mischung mehrerer Metallionensalze in der Elektrolytlösung 0,005 mol/l bis 1 mol/l, bevorzugt 0,05 mol/l bis 0,1 mol/l. In one embodiment, the concentration of the metal ion salt or a mixture of a plurality of metal ion salts in the electrolytic solution is 0.005 mol / l to 1 mol / l, preferably 0.05 mol / l to 0.1 mol / l.
In einer Ausführungsform werden zur Beschichtung des Bauteils mindestens ein Metallionensalz und mindestens eine Linkervorläuferverbindung in der Elektrolytlösung vorgelegt In one embodiment, at least one metal ion salt and at least one linker precursor compound in the electrolyte solution are initially introduced for coating the component
In einer Ausführungsform wird das Metallion in der Elektrolytlösung generiert, indem Metallionenvorläufer, enthalten in mindestens einer der Elektroden, die nicht das Bauteil sind, elektrolytisch induziert zu dem Metallion umgesetzt und in der Elektrolytlösung bereitgestellt werden. Das Metallion liegt danach ebenfalls in der für die Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe in der Elektrolytlösung vor. In one embodiment, the metal ion in the electrolytic solution is generated by reacting metal ion precursors contained in at least one of the non-constituent electrodes electrolytically induced to the metal ion and providing them in the electrolytic solution. The metal ion is then also present in the necessary for the synthesis of MOF oxidation state in the electrolyte solution.
Auch dann wird die Linkerverbindung in der Elektrolytlösung durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion in-situ aus der/den korrespondierenden Linkervorläuferverbindung/en an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert. Even then, the linker compound in the electrolyte solution by in situ from the / the electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction corresponding linker precursor compound (s) are generated at the interface between the component and the electrolyte solution.
Es muss also mindestens ein Bestandteil der MOF-Beschichtung (Metallion oder Linkerverbindung) an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung gebildet werden, um den Beschichtungsvorgang zu gewährleisten. Diese Bildung des Bestandteils wird elektrolytisch oder elektrochemisch ausgelöst. Thus, at least one component of the MOF coating (metal ion or linker compound) must be formed at the interface between the component and the electrolyte solution to ensure the coating process. This formation of the constituent is triggered electrolytically or electrochemically.
Das bedeutet, entweder entsteht an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung das MOF-Metallion elektrolytisch aus einem Metallionenvorläufer und/oder die Linkerverbindung entsteht an der Grenzfläche durch Elektrolyse aus einer Linkervorläuferverbindung. That is, either at the interface between the device and the electrolyte solution, the MOF metal ion is electrolytically generated from a metal ion precursor and / or the linker compound is formed at the interface by electrolysis from a linker precursor compound.
Die Bildung des MOF erfolgt also jeweils aufgrund einer elektrochemischen Reaktion am Bauteil oder chemischen Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion am Bauteil. Die elektrochemische Reaktion wird ausgelöst und kontrolliert, indem ein elektrisches Feld am Bauteil angelegt wird (Bauteil als Elektrode geschaltet) oder das Bauteil in ein elektrisches Feld eingebracht wird (Bauteil nicht als Elektrode geschaltet). The formation of the MOF thus takes place in each case due to an electrochemical reaction on the component or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction on the component. The electrochemical reaction is triggered and controlled by applying an electric field to the device (device connected as an electrode) or placing the device in an electric field (device not connected as an electrode).
In einer Ausführungsform bilden in der Elektrolytlösung vorhandene Metallionen und Linkerverbindungen schon MOF-Kristallbaueinheiten (also kleinere Partikel) in der Lösung, die zum Teil in die wachsende Beschichtung an der Grenzfläche integriert werden. Ein Metallionenvorläufer und/oder eine Linkervorläuferverbindung muss/müssen dem System aber trotzdem zur Verfügung stehen. In one embodiment, metal ions and linker compounds present in the electrolytic solution already form MOF crystal building units (ie, smaller particles) in the solution, some of which are integrated into the growing coating at the interface. However, a metal ion precursor and / or a linker precursor compound must still be available to the system.
Erfindungsgemäß wird nach Variante ii) das mindestens eine Metallion durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers, an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert. According to the invention, according to variant ii), the at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution.
Erfindungsgemäß ist das Bauteil entweder a) gleichzeitig Elektrode oder wird b) in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht. According to the invention, the component is either a) simultaneously electrode or b) is introduced into an electric field between two electrodes.
In Variante a) ist das Bauteil gleichzeitig Elektrode. Das bedeutet, dass dann mindestens eine der zur Elektrolyse notwendigen Elektroden durch das Bauteil repräsentiert ist. In variant a), the component is simultaneously electrode. This means that at least one of the electrodes required for the electrolysis is then represented by the component.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil gleichzeitig Metallionenvorläufer enthaltende Elektrode und das Metallion stammt direkt aus der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils. In one embodiment, the component is simultaneously metal ion precursor-containing electrode and the metal ion comes directly from the surface of the component to be coated.
In einer Ausführungsform enthält das Bauteil ein mindestens einen Metallionenvorläufer enthaltendes Material, ausgewählt aus reinem Metall und/oder Metalllegierungen, beispielsweise Messing, Bronzen, Neusilber, Stähle, Inconel, Hastelloy, Monel, Titan alloy, Duraluminium, usw. und/oder Metallverbindungen, beispielsweise Metalloxide und/oder - hydroxide. In einer Ausführungsform ist das Metall bevorzugt ausgewählt aus Cu, Fe, AI und/oder Zn. In one embodiment, the device includes at least one metal ion precursor-containing material selected from pure metal and / or metal alloys, such as brass, bronzes, german silver, steels, inconel, hastelloy, monel, titanium alloy, duralumin, etc., and / or metal compounds, for example Metal oxides and / or hydroxides. In one embodiment, the metal is preferably selected from Cu, Fe, Al and / or Zn.
In einer Ausführungsform sind die Metalloxide und/oder -hydroxide bevorzugt ausgewählt aus Cu20, CuO, Fe203, Fe304, AI2O3, AI(OH)3 und/oder ZnO. In one embodiment, the metal oxides and / or hydroxides are preferably selected from Cu 2 O, CuO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Al 2 O 3, Al (OH) 3 and / or ZnO.
In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine einen Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung, wobei diese Beschichtung ausgewählt ist aus Metallen und/oder Metalllegierungen und/oder Metalloxiden und/oder - hydroxiden. In one embodiment, the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing a metal ion precursor, wherein this coating is selected from metals and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides.
In einer Ausführungsform ist die Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung eine Beschichtung enthaltend Metall, wobei das Metall ausgewählt ist aus Cu, Fe, Co, AI, Mg, Ti, Zr, Mn, Cr, V, Mo, W, Ni, Ag, Au, Sn, Si, Pb und/oder Zn, bevorzugt Cu, Fe, AI und/oder Zn. In one embodiment, the metal ion precursor-containing coating is a coating containing metal, wherein the metal is selected from Cu, Fe, Co, Al, Mg, Ti, Zr, Mn, Cr, V, Mo, W, Ni, Ag, Au, Sn , Si, Pb and / or Zn, preferably Cu, Fe, Al and / or Zn.
In einer Ausführungsform ist die Metallionenvorläufer enthaltende Beschichtung eine Beschichtung enthaltend Metalloxide und/oder -hydroxide, ausgewählt z. B. aus AI2O3, (AI(OH)3, Cu20, CuO, Cu(OH)2, Fe304, Fe203, FeO(OH) Co304, CoOOH, Co(OH)3, CoO, Ti203, Ti(OH)2, Ti(OH)3, Ti(OH)4, Ti02, MnO(OH), MnO(OH)2, Mn304, Mn203, Mn02, Cr203, Cr(OH)3, Cr(OH)4, Cr02, Cr03, V02, V203, V204, V205, Mo02, Mo03, Ni304, Ni203, NiO, (NiOH)2, AgOH, Ag20, Ag203, Si02, Pb(OH)2, Pb(OH)4, Pb304, Pb02 und/oder ZnO, Zn(OH)2, sowie deren Mischungen oder andere Mischverbindungen mit anderen Ionen wie S04 2", S03 2", usw. (z. B. Grünspan) bevorzugt Al203, Cu20, CuO, Fe203, Fe304 und/oder ZnO. In one embodiment, the metal ion precursor-containing coating is a coating containing metal oxides and / or hydroxides selected, for example, from US Pat. B. from Al2O3, (Al (OH) 3 , Cu 2 0, CuO, Cu (OH) 2 , Fe 3 0 4 , Fe 2 0 3 , FeO (OH) Co 3 0 4 , CoOOH, Co (OH). 3 , CoO, Ti 2 0 3, Ti (OH) 2, Ti (OH) 3, Ti (OH) 4, Ti0 2, MnO (OH), MnO (OH) 2, Mn 3 0 4, Mn 2 0 3, MnO 2 , Cr 2 O 3 , Cr (OH) 3 , Cr (OH) 4 , CrO 2 , CrO 3 , VO 2 , V 2 0 3 , V 2 0 4 , V 2 0 5 , MoO 2 , MoO 3 , Ni 3 0 4 , Ni 2 0 3 , NiO, (NiOH) 2 , AgOH, Ag 2 0, Ag 2 0 3 , Si0 2 , Pb (OH) 2 , Pb (OH) 4 , Pb 3 0 4 , Pb0 2 and / or ZnO, Zn (OH) 2 , as well as their mixtures or other mixed compounds with other ions such as S0 4 2 " , S0 3 2" , etc. (eg verdigris) preferably Al 2 O 3 , Cu 2 O, CuO, Fe 2 0 3 , Fe 3 0 4 and / or ZnO.
In einer Ausführungsform ist die Metallionen enthaltende Beschichtung eine Beschichtung, enthaltend eine Metalllegierung. In einer Ausführungsform ist die Metalllegierung ausgewählt aus Messing, Bronzen, Neusilber, Stähle, Inconel, Hastelloy, Monel, Titan alloy, und/oder Duraluminium. In one embodiment, the metal ion-containing coating is a coating containing a metal alloy. In one embodiment, the metal alloy is selected from brass, bronzes, german silver, steels, inconel, hastelloy, monel, titanium alloy, and / or duralumin.
In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial ausgewählt aus elektrisch leitfähigen Polymeren, Kohlenstoffen, wie z. B. Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanorohren oder anderen Kohlenstoffallotropen. In one embodiment, the carrier material is selected from electrically conductive polymers, carbons, such as. As graphite, carbon fibers, carbon nanotubes or other carbon allotropes.
In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial mit einer, einen Metallionenvorläufer enthaltenden Beschichtung versehen. In one embodiment, the support material is provided with a coating containing a metal ion precursor.
Erfindungsgemäß kann das Metallion elektrolytisch durch Oxidation oder Reduktion eines im Bauteil enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert werden, wobei das Bauteil als Elektrode geschaltet ist. According to the invention, the metal ion can be generated electrolytically by oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution, wherein the component is connected as an electrode.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Metallion generierende Elektrode geschaltet. In einer Ausführungsform wird das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Anode geschaltet. Der im Bauteil enthaltene Metallionenvorläufer bzw. Metallionenvorläuferverbindung wird dann anodisch oxidiert und das Metallion geht in die Elektrolytlösung über. Durch die Reaktion mit der ebenfalls in der Elektrolytlösung vorhandenen Linkerverbindung, erfolgt die Bildung und elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil. In one embodiment, the component is connected during the electrochemical deposition as a metal ion generating electrode. In one embodiment, the device is connected as an anode during the electrochemical deposition. The metal ion precursor or metal ion precursor compound contained in the component is then oxidized anodically and the metal ion passes into the electrolyte solution. By the reaction with the linker compound also present in the electrolytic solution, the formation and electrochemical deposition of the organometallic skeleton compound takes place on the component.
Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Anode fungiert, enthält das Bauteil Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der entstehenden metallorganischen Gerüstverbindung. In electrochemical deposition, where the device functions as a metal ion-generating anode, the device contains metal ion precursors of lower oxidation state than the metal ion of the resulting organometallic framework compound.
Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Anode fungiert, wird das Bauteil als Anode geschaltet. Durch das Anlegen einer Spannung werden in der Oberfläche bzw. obersten Schicht des zu beschichtenden Bauteils enthaltene Metallionenvorläufer anodisch oxidiert und so der Elektrolytlösung das Metallion am Bauteil zugeführt. Dort reagiert das Metallion mit der in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkerverbindung zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet. In the electrochemical deposition, in which the component acts as an anode, the component is connected as an anode. By applying a voltage, metal ion precursors contained in the surface or uppermost layer of the component to be coated are anodically oxidized and the electrolyte solution is thus supplied with the metal ion on the component. There, the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to the organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
In einer Ausführungsform beträgt die Spannung während der elektrochemischen Abscheidung in Variante a) 0.2 bis 40 V, beziehungsweise -10 bis 10 V gegenüber einer Quecksilbersulfat- Referenzelektrode, bevorzugt -2.5 bis 1 V gegenüber einer Quecksilber/Quecksilbersulfat- Referenzelektrode. In one embodiment, the voltage during the electrochemical deposition in variant a) is 0.2 to 40 V, or -10 to 10 V relative to a mercury sulfate reference electrode, preferably -2.5 to 1 V with respect to a mercury / mercury sulfate reference electrode.
Die Abscheidung der MOF wird solange betrieben, bis die Schichtdicke der MOF 0,1 bis 1000 μηι, bevorzugt 1 bis 100 μηι, besonders bevorzugt 2 bis 20 μηι, insbesondere 3 bis 10 μηη beträgt. The deposition of the MOF is operated until the layer thickness of the MOF 0.1 to 1000 μηι, preferably 1 to 100 μηι, more preferably 2 to 20 μηι, in particular 3 to 10 μηη.
Die Bestimmung der Schichtdicke erfolgt mittels Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie. The determination of the layer thickness is carried out by means of scanning electron microscopy and light microscopy.
Die Dauer der Elektrolyse beträgt 30 s bis 5 h, bevorzugt 5 min bis 60 min, besonders bevorzugt 10 bis 30 min. The duration of the electrolysis is 30 s to 5 h, preferably 5 min to 60 min, particularly preferably 10 to 30 min.
In einer Ausführungsform wird das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Kathode geschaltet. In one embodiment, the device is switched as a cathode during electrochemical deposition.
Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Kathode fungiert, enthält das Bauteil Metallionenvorläufer mit höherer Oxidationsstufe als das Metallion der entstehenden metallorganischen Gerüstverbindung. In the case of electrochemical deposition, in which the component functions as a metal ion-generating cathode, the component contains metal ion precursors with a higher oxidation state than the metal ion of the resulting organometallic framework compound.
Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Metallion generierende Kathode fungiert, wird das Bauteil als Kathode geschaltet. Durch das Anlegen einer Spannung wird der in der Oberfläche bzw. obersten Schicht des zu beschichtenden Bauteils enthaltene Metallionenvorläufer kathodisch reduziert und so dem Elektrolyten das Metallion am Bauteil zugeführt. Dort reagiert das Metallion mit der in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkerverbindung zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet. In the electrochemical deposition, in which the component acts as a metal ion-generating cathode, the component is connected as a cathode. By applying a voltage, the metal ion precursor contained in the surface or uppermost layer of the component to be coated is cathodically reduced, and thus the electrolyte of the metal ion on the component fed. There, the metal ion reacts with the linker compound contained in the electrolyte solution to the organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
Es ist auch möglich, dass die Metallionenvorläuferverbindung beispielsweise nicht als Bauteilmetall oder Bauteilbeschichtung vorliegt sondern als in der Elektrolytlösung gelöstes Metallionensalz. Das Metallion hat dann noch nicht die für die Synthese der MOF notwendige Oxidationsstufe, weshalb das Metallionensalz zunächst elektrochemisch umgesetzt wird und das, für die MOF Synthese notwendige, Metallion entsteht. It is also possible that the metal ion precursor compound is present, for example, not as a component metal or component coating but as metal ion salt dissolved in the electrolyte solution. The metal ion then does not have the necessary oxidation state for the synthesis of the MOF, which is why the metal ion salt is first electrochemically reacted and the necessary for the MOF synthesis, metal ion is formed.
Als Beispiel kämen z. B. Permanganatsalze wie KMn04 in Frage, die dann am Bauteil elektrochemisch zu Mn2+-lonen reduziert werden. As an example, z. For example, permanganate salts such as KMn0 4 in question, which are then reduced to the component electrochemically Mn 2+ ions.
Wie bereits oben beschrieben, wird in einer Ausführungsform die Linkerverbindung aus einer, in der Elektrolytlösung enthaltenen Linkervorläuferverbindung generiert. As already described above, in one embodiment, the linker compound is generated from a linker precursor compound contained in the electrolytic solution.
In einer Ausführungsform wird die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet. Dies kann durch elektrochemische Reaktion und/oder chemische Reaktion in Folge einer elektrochemischen Reaktion erfolgen. In one embodiment, the linker compound is formed during the electrolysis of at least one linker precursor compound. This can be done by electrochemical reaction and / or chemical reaction as a result of an electrochemical reaction.
In einer Ausführungsform wird durch die elektrochemische Reaktion des Elektrolyten die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der Linkervorläuferverbindung initiiert. Beispielsweise kann sich durch die kathodische Reduktion eines Nitratsalzes in der Elektrolytlösung, bei welcher Hydroxidionen gebildet werden, der pH-Wert soweit ändern, dass z. B. Säuregruppen deprotoniert werden und beispielsweise aus den freien Carbonsäuren die Linkercarboxylate entstehen. In one embodiment, the electrochemical reaction of the electrolyte initiates the chemical reaction to form the linker compound from the linker precursor compound. For example, by the cathodic reduction of a nitrate salt in the electrolyte solution, in which hydroxide ions are formed, the pH can change so much that z. As acid groups are deprotonated and, for example, arise from the free carboxylic acids, the linker carboxylates.
In einer Ausführungsform erfolgt die Deprotonierung von Säure- oder Imidazolgruppen durch Änderung des pH-Wertes, beispielsweise durch Wasserzersetzung bei der Elektrolyse. In one embodiment, the deprotonation of acid or imidazole groups takes place by changing the pH, for example by water decomposition during the electrolysis.
In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Elektrode. In one embodiment, the device acts as a linker-generating electrode.
In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Kathode. In one embodiment, the device acts as a linker-generating cathode.
In dem Fall besteht das Bauteil aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material und die Metallionen stammen aus der als Anode geschalteten Metallionenvorläufer enthaltenden Elektrode und/oder aus dem in der Elektrolytlösung gelösten Metallionensalz. In that case, the component is made of any electrically conductive material and the metal ions originate from the metal ion precursor-connected electrode and / or from the metal ion salt dissolved in the electrolyte solution.
In einer Ausführungsform enthält das Bauteil aber auch als Linkerverbindung generierende Kathode einen Metallionenvorläufer mit höherer Oxidationsstufe als das Metallion der zu bildenden metallorganischen Gerüstverbindung. Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Linkerverbindung generierende Kathode fungiert, wird die in der Elektrolytlösung enthaltene Linkervorläuferverbindung elektrochemisch oder chemisch in Folge einer elektrochemischen Reaktion zu der entsprechenden Linkerverbindung am Bauteil umgesetzt. Dies erfolgt beispielsweise durch Spaltung der Vorläuferverbindung oder durch Deprotonierung in Folge einer pH-Wert-Änderung durch Wasserstoffprotonen verbrauchende Reduktion. Die pH-Wert Änderung kann ebenso durch Hydroxidionen generierende Reduktion von Lösungsmittel oder Leitsalzbestandteilen, beispielsweise Wasser und/oder Nitrationen erfolgen. In one embodiment, however, the component also contains a linker-generating cathode with a metal ion precursor having a higher oxidation state than the metal ion of the metal-organic framework compound to be formed. In electrochemical deposition, where the device acts as a linker-generating cathode, the linker precursor compound contained in the electrolyte solution is electrochemically or chemically reacted to the corresponding linker compound on the device as a result of an electrochemical reaction. This is done for example by cleavage of the precursor compound or by deprotonation as a result of a pH change by hydrogen-proton-consuming reduction. The pH change can also be done by hydroxide ion-generating reduction of solvent or Leitsalzbestandteilen, such as water and / or nitrate ions.
Durch das Anlegen einer Spannung wird so die Linkerverbindung der Elektrolytlösung am Bauteil zugeführt. Dort reagiert die Linkerverbindung mit dem in der Lösung enthaltenen Metallion zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet. By applying a voltage so the linker connection of the electrolyte solution is supplied to the component. There, the linker compound reacts with the metal ion contained in the solution to organometallic skeleton compound, which is deposited on the component.
In einer Ausführungsform fungiert das Bauteil als Linkerverbindung generierende Anode. Dann besteht das Bauteil aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material oder das Bauteil enthält Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der metallorganischen Gerüstverbindung. In one embodiment, the component acts as a linker-generating anode. The component then consists of any electrically conductive material or the component contains metal ion precursors having a lower oxidation state than the metal ion of the organometallic framework compound.
Bei der elektrochemischen Abscheidung, bei der das Bauteil als Linkerverbindung generierende Anode fungiert, wird die in der Elektrolytlösung enthaltene Linkervorläuferverbindung elektrochemisch oder chemisch in Folge einer elektrochemischen Reaktion zu der entsprechenden Linkerverbindung am Bauteil umgesetzt. Dies geschieht beispielsweise durch Oxidation der Linkervorläuferverbindung, z. B. einer Aldehydfunktionalität zur entsprechenden Carbonsäurefunktionalität. Es kann auch eine Spaltung der Linkervorläuferverbindung erfolgen, wie beispielsweise die saure Abspaltung von Schutzgruppen von geschützten Carbonsäuregruppen. In electrochemical deposition, where the device acts as a linker-generating anode, the linker precursor compound contained in the electrolytic solution is electrochemically or chemically reacted to the corresponding linker compound on the device as a result of an electrochemical reaction. This is done, for example, by oxidation of the linker precursor compound, e.g. B. an aldehyde functionality to the corresponding carboxylic acid functionality. It may also be a cleavage of the linker precursor compound, such as the acidic cleavage of protecting groups of protected carboxylic acid groups.
Die Umsetzung der Linkervorläuferverbindung zur Linkerverbindung kann dabei aber auch durch eine pH-Wert-Änderung durch eine Hydroxidionen verbrauchende elektrolytische Oxidation oder durch Wasserstoffionen generierende Oxidation von Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser oder Leitsalzbestandteilen erfolgen. However, the reaction of the linker precursor compound to form the linker compound can also be effected by a pH change by an electrolytic oxidation consuming hydroxide ions or by the oxidation of solvents such as water or conductive salt constituents which generates hydrogen ions.
Während der Elektrolyse wird die Linkerverbindung der Elektrolytlösung am Bauteil zugeführt. Dort reagiert die Linkerverbindung mit dem in der Elektrolytlösung enthaltenen Metallion zur metallorganischen Gerüstverbindung, die sich auf dem Bauteil abscheidet. Das Metallion kann dabei in Form eines Metallsalzes Elektrolytbestandteil sein und/oder die Metallionen stammen aus der als Kathode geschalteten Metallionenvorläufer enthaltenden Elektrode und/oder das Metalion wird ebenfalls am Bauteil, enthaltend einen Metallionenvorläufer mit niedrigerer Oxidationsstufe als das Metallion der metallorganischen Gerüstverbindung, durch anodische Umsetzung der Elektrolytlösung zugeführt. Die Elektroden können auch vom Bauteil verschieden sein. Das entspricht der Variante b) im erfindungsgemäßen Verfahren. During electrolysis, the linker compound is added to the electrolyte solution on the component. There, the linker compound reacts with the metal ion contained in the electrolytic solution to organometallic skeleton compound, which is deposited on the component. The metal ion can be in the form of a metal salt electrolyte component and / or the metal ions originate from the cathode connected metal ion precursor containing electrode and / or the metal ion is also on the component containing a metal ion precursor with a lower oxidation state than the metal ion of the organometallic skeleton by anodic reaction fed to the electrolyte solution. The electrodes may also be different from the component. This corresponds to variant b) in the process according to the invention.
Erfindungsgemäß wird in Variante b) das Bauteil in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht. According to the invention, the component is introduced into an electric field between two electrodes in variant b).
Dann erfolgt die elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung mittels bipolarer Galvanotechnik indirekt anodisch oder indirekt kathodisch auf dem Bauteil. Then, the electrochemical deposition of the organometallic skeleton compound by means of bipolar electroplating indirectly anodic or indirect cathodic on the component.
Dabei wird das Bauteil in ein in der Elektrolytlösung durch mindestens zwei Elektroden erzeugtes elektrisches Feld eingebracht, durch welches das Bauteil polarisiert wird, wodurch elektrochemische Abscheidung am Bauteil stattfindet. In this case, the component is introduced into an electric field generated in the electrolyte solution by at least two electrodes, through which the component is polarized, whereby electrochemical deposition takes place on the component.
Das Bauteil ist dann nicht gleichzeitig Elektrode oder als Elektrode geschaltet. The component is then not simultaneously electrode or connected as an electrode.
Bei diesem, auch als bipolare Galvanotechnik bezeichneten, Vorgehen wird das Bauteil in ein elektrisches Feld zwischen mindestens einer positiv polarisierten und mindestens einer negativ polarisierten Elektrode eingebracht. In this procedure, also referred to as bipolar electroplating, the component is introduced into an electric field between at least one positively polarized and at least one negatively polarized electrode.
In einer Ausführungsform wird der Beschichtungsraum des Bauteils, das heißt, der das Bauteil umgebende Bereich, enthaltend die Elektrolytlösung, durch Membranen von den Elektrodenräumen abgetrennt, damit die Umsetzung von Elektrolytbestandteilen, wie beispielsweise die Linkervorläuferverbindung, an den Elektroden minimiert oder verhindert wird. In one embodiment, the coating space of the component, that is, the area surrounding the component containing the electrolyte solution, is separated from the electrode spaces by membranes to minimize or prevent the conversion of electrolyte components, such as the linker precursor compound, to the electrodes.
Erfindungsgemäß wird in Variante ii) das Metallion durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt According to the invention, in variant ii), the metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution
In einer Ausführungsform wird das zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung notwendige Metallion vom Bauteil aufgrund der Polarisierung durch das elektrische Feld zwischen den mindestens zwei Elektroden abgegeben, wobei sich das Metallion aus dem Bauteil durch elektrochemische Oxidation bzw. Reduktion herauslöst und in die Elektrolytlösung übergeht. Dort reagiert es mit der in der Lösung enthaltenen Linkerverbindung und wird als metallorganische Gerüstverbindung auf dem Bauteil abgeschieden. Man spricht dann von indirekter anodischer oder indirekter kathodischer Abscheidung. In one embodiment, the metal ion necessary for synthesizing the organometallic skeleton compound is released from the component due to the polarization by the electric field between the at least two electrodes, wherein the metal ion dissolves from the component by electrochemical oxidation or reduction and passes into the electrolyte solution. There it reacts with the linker compound contained in the solution and is deposited as organometallic framework compound on the component. One then speaks of indirect anodic or indirect cathodic deposition.
In einer Ausführungsform enthält das Bauteil Metallionenvorläufer, ausgewählt aus reinem Metall und/ oder Metalllegierungen und/ oder Metalloxiden und/ oder -hydroxiden, wie sie auch oben für ein Bauteil als Metallion liefernde Elektrode beschrieben sind. In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine Metallionen enthaltende Beschichtung, wobei diese Beschichtung ausgewählt ist aus Metallen und/oder Metalllegierungen und/oder Metalloxiden und/oder -hydroxiden, wie sie bereits oben für ein Bauteil als Metallion liefernde Elektrode beschrieben sind. In one embodiment, the component contains metal ion precursors selected from pure metal and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides, as also described above for a component as a metal ion-providing electrode. In one embodiment, the component comprises an electrically conductive carrier material and a coating containing metal ions, wherein this coating is selected from metals and / or metal alloys and / or metal oxides and / or hydroxides, as described above for a component as a metal ion-providing electrode ,
In einer Ausführungsform ist das Trägermaterial des Bauteils ausgewählt aus elektrisch leitfähigen Polymeren, Kohlenstoffen, Kohlenstofffasern und Materialien, wie sie bereits oben für Variante a) beschrieben sind, für ein Bauteil, welches mit Metallionenvorläufermaterialien höherer oder niedrigerer Oxidationsstufe beschichtet ist. In one embodiment, the support material of the component is selected from electrically conductive polymers, carbons, carbon fibers and materials, as already described above for variant a), for a component which is coated with metal ion precursor materials of higher or lower oxidation state.
In einer Ausführungsform umfasst das Bauteil, insbesondere dessen Oberfläche, ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Metalle, Metalloxide, Halbleitermaterialien, ITO- oder FTO- Glas, leitfähige Polymere. Dann wird an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung die Linkervorläuferverbindung elektrolytisch oder elektrochemisch zur Linkerverbindung umgesetzt. In one embodiment, the component, in particular its surface, comprises an electrically conductive material, for example metals, metal oxides, semiconductor materials, ITO or FTO glass, conductive polymers. Then, at the interface between the device and the electrolyte solution, the linker precursor compound is electrolytically or electrochemically reacted to the linker compound.
Das elektrische Feld zwischen den Elektroden muss für die indirekten Formen der Abscheidung entsprechend stark sein. The electric field between the electrodes must be strong enough for the indirect forms of deposition.
In einer Ausführungsform beträgt die Spannung während der elektrochemischen Abscheidung in Variante b) 1 bis 100 Volt, bevorzugt 5 bis 20 V. In one embodiment, the voltage during the electrochemical deposition in variant b) is 1 to 100 volts, preferably 5 to 20 V.
Die metallorganischen Gerüstverbindungen scheiden sich als gleichmäßig dicke Schicht auf dem Bauteil ab. Nach der Abscheidung wird das beschichtete Bauteil mit Wasser oder einem Lösungsmittel gespült und bei Bedarf getrocknet. The organometallic framework compounds are deposited as a uniformly thick layer on the component. After deposition, the coated component is rinsed with water or a solvent and dried if necessary.
In einer Ausführungsform werden die zur Synthese der MOF Beschichtung notwendigen Metallionen aus einer der Elektroden (entspricht Variante b - das Bauteil ist nicht Elektrode), durch Oxidation oder Reduktion in der Elektrolytlösung bereitgestellt (Variante ii). In one embodiment, the metal ions necessary for the synthesis of the MOF coating from one of the electrodes (corresponding to variant b - the component is not electrode) are provided by oxidation or reduction in the electrolyte solution (variant ii).
Erfindungsgemäß ist nach Variante i) das Metallion als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst According to the invention, according to variant i), the metal ion is dissolved as metal ion salt in the electrolyte solution
und/oder wird nach Variante ii)  and / or according to variant ii)
durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt, wobei das Bauteil a) gleichzeitig Elektrode ist oder b) nicht gleichzeitig Elektrode ist, sondern in ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden eingebracht wird.  generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the component and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution, wherein the component a) is simultaneously electrode or b) is not simultaneously electrode, but in an electric Field is inserted between two electrodes.
Folgende Fälle sind also möglich: Das mindestens eine Metallion ist als Metallionensalz, vorzugsweise in der zur Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe, in der Elektrolytlösung gelöst, eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden ist gleichzeitig Bauteil und die Linkerverbindung wird an der Grenzfläche von Bauteil und Elektrolytlösung generiert. The following cases are possible: The at least one metal ion is dissolved in the electrolyte solution as the metal ion salt, preferably in the oxidation state necessary for the synthesis of the MOF, one of the electrodes used for the electrolysis is at the same time a component and the linker compound is generated at the interface of component and electrolyte solution.
Das mindestens eine Metallion wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines im Bauteil enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert, wobei mindestens eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden gleichzeitig Bauteil ist. The at least one metal ion is generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component at the interface between the component and the electrolyte solution, wherein at least one of the electrodes used for the electrolysis is simultaneously a component.
Das mindestens eine Metallion wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in einer Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers in der Elektrolytlösung bereitgestellt und die Linkerverbindung wird elektrolytisch an der Grenzfläche von Bauteil und Elektrolytlösung generiert, wobei mindestens eine der zur Elektrolyse eingesetzten Elektroden gleichzeitig Bauteil ist. The at least one metal ion is provided by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in an electrode in the electrolyte solution, and the linker compound is electrolytically generated at the interface of the component and the electrolytic solution, wherein at least one of the electrodes used for electrolysis is simultaneously a component.
Für die Kombination von i) und/oder ii) mit Variante b) bedeutet dies: Das Bauteil wird in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht und das mindestens eine Metallion ist als Metallionensalz, in der zur Synthese der MOF notwendigen Oxidationsstufe, in der Elektrolytlösung gelöst und/oder wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in einer Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers in der Elektrolytlösung bereitgestellt und/oder wird durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion des einen entsprechenden Metallionenvorläufer enthaltenden Bauteils an der Grenzfläche zwischen Bauteil und Elektrolytlösung generiert und bereitgestellt, wobei das Bauteil nicht gleichzeitig Elektrode ist. For the combination of i) and / or ii) with variant b), this means that the component is introduced into an electric field between at least two electrodes and the at least one metal ion is a metal ion salt in the oxidation stage necessary for the synthesis of the MOF in which Electrolytic solution is dissolved and / or is provided by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in an electrode in the electrolyte solution and / or is generated and provided by electrolytic oxidation or reduction of the corresponding metal ion precursor containing component at the interface between the component and the electrolyte solution, wherein the component not simultaneously electrode.
In einer Ausführungsform wird das Bauteil nach der Beschichtung mit der MOF getrocknet bei einem Druck von 1000 mbar bis 10-10 mbar und einer Temperatur im Bereich -40 °C bis 180 °C. In one embodiment, the component is dried after coating with the MOF at a pressure of 1000 mbar to 10-10 mbar and a temperature in the range of -40 ° C to 180 ° C.
In einer Ausführungsform enthält die Schicht aus metallorganischen Gerüstverbindungen Mikroporen und/oder Makroporen und/oder Mesoporen auch teilweise mit verschiedenen Porentypen, z. B. Schlitzporen. In one embodiment, the layer of organometallic framework compounds also contains micropores and / or macropores and / or mesopores also partially with different types of pores, e.g. B. slotted pores.
Der Begriff Mikroporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser von bis zu 2 nm. Der Begriff Mesoporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser von 2 nm bis 50 nm. Der Begriff Makroporen bezeichnet Poren mit einem Durchmesser > 50 nm. The term micropores refers to pores with a diameter of up to 2 nm. The term mesopores refers to pores with a diameter of 2 nm to 50 nm. The term macropores refers to pores with a diameter> 50 nm.
Die spezifische Oberfläche (BET) der erfindungsgemäß hergestellten metallorganischen Gerüstverbindungen wird über DIN ISO 9277 bestimmt. The specific surface area (BET) of the organometallic framework compounds prepared according to the invention is determined by DIN ISO 9277.
Die spezifische Oberfläche der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtung beträgt 5 m2/g bis 2500 m2/g. Rasterelektronenmikroskopie ist für die Untersuchung der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen jedoch eine besser geeignete Methode (z. B. im Vergleich zu Physisorptionsmessungen) um die Porosität/Strukturiertheit und die Gestalt der Porosität zu untersuchen. So ist es relevant, wie die Poren an der Kristallitoberfläche gestaltet sind. Die Bestimmung der BET Oberfläche durch Physisorptionsmessungen kann hingegen irreführend sein, da eine eine hohe BET-Oberfläche in m2/g auch durch Poren im „Kristallitinneren" begründet sein könnte, während die Kristallitoberfläche relativ glatt ist. The specific surface area of the MOF coating produced according to the invention is from 5 m2 / g to 2500 m2 / g. Scanning electron microscopy, however, is a more suitable method (eg, in comparison to physisorption measurements) for investigating the MOF coatings produced according to the invention in order to investigate the porosity / structure and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores are designed on the crystallite surface. The determination of the BET surface area by physisorption measurements, however, can be misleading, since a high BET surface area in m2 / g could also be due to pores in the "crystallite interior", while the crystallite surface is relatively smooth.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen ein besonders strukturiertes Kristallitwachstum innerhalb der MOF Beschichtung durch die elektrochemische Abscheidung. So finden sich gleichmäßig angeordnete MOF-Kristallite in beispielsweise oktaedrischer Geometrie in der Beschichtung, welche eine mikroskalige Oberflächenmorphologie bewirken (Fig. 1 ) und bei näherer Betrachtung der Oberfläche eines einzelnen Kristalliten auch nanoskalige Strukturen aufweisen. Ebenso können Zusammensetzungen aus Nanokristalliten eine nanoskalige und mikroskalige Suprastruktur (Fig. 4) bilden. So werden MOF- Morphologien mit Zwischenräumen im nanoskaligen Bereich von 10 bis 100 nm beobachtet (siehe Fig. 2 und Fig. 5). Diese Zwischenräume weisen vorteilhaft eine Durchgängigkeit auf. Scanning electron micrographs show a particularly structured crystallite growth within the MOF coating by the electrochemical deposition. Thus, uniformly arranged MOF crystallites in, for example, octahedral geometry are found in the coating, which produce a microsized surface morphology (FIG. 1) and, on closer inspection of the surface of a single crystallite, also have nano-scale structures. Likewise, compositions of nanocrystallites can form a nanoscale and microscale suprastructure (Figure 4). Thus, MOF morphologies are observed with gaps in the nanoscale range of 10 to 100 nm (see FIG. 2 and FIG. 5). These spaces advantageously have a continuity.
Zudem weisen die Kristallite eine strukturbedingte Mikroporosität auf, so dass man vorteilhaft eine dreifach hierarchische Strukturierung der Oberfläche vorfindet. In addition, the crystallites have a structure-related microporosity, so that advantageously a threefold hierarchical structuring of the surface is found.
In einer Ausführungsform weisen die erfindungsgemäß hergestellten MOF-Schichten eine dreifach hierarchische Strukturierung auf. Im Sinne der Erfindung bedeutet dies, dass sowohl eine Strukturierung der Oberfläche im Mikrometer-, als auch im Nanometerbereich erfolgt und die Oberfläche zusätzlich noch Mikroporen aufweist. In one embodiment, the MOF layers produced according to the invention have a threefold hierarchical structuring. For the purposes of the invention, this means that both a structuring of the surface takes place in the micrometer and in the nanometer range and the surface additionally has micropores.
Vorteilhaft gelingt die Herstellung dieser hierarchisch aufgebauten Struktur der Oberfläche und des Beschichtungsgrundmaterials in nur einem Verfahrensschritt, während bisher bekannte, meist photolithographische Verfahren mehrere aufwändige Prozessschritte erfordern. Advantageously, the production of this hierarchical structure of the surface and of the coating base material succeeds in only one process step, whereas hitherto known, mostly photolithographic processes require several complex process steps.
Vorteilhaft weisen die erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen bereits ohne Behandlung mit Imprägniermitteln größere Wasserkontaktwinkel auf, als beispielsweise MOF- Beschichtungen, die durch Beschichtung mit hydrothermal hergestellten MOF realisiert wurden. Even without treatment with impregnating agents, the MOF coatings produced according to the invention advantageously have larger water contact angles than, for example, MOF coatings which have been produced by coating with hydrothermally produced MOF.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäß hergestellten MOF ist die hohe Stabilität der kristallinen Gerüstverbindungen, die durch die koordinativen Bindungen von Linkern und Metallionen gewährleistet wird. Die beobachteten Mikro- und/oder Nanostrukturen mit einer zusätzlichen, durch die Mikroporen bedingte Nanorauigkeit und Porosität eignet sich vorteilhaft um eine verbesserte Haftung des nachfolgend aufgetragenen Imprägniermittels zu gewährleisten A further advantage of the MOF produced according to the invention is the high stability of the crystalline framework compounds, which is ensured by the coordinative bonds of linkers and metal ions. The observed micro- and / or nanostructures with an additional microroughness and porosity caused by the micropores are advantageously suitable for ensuring improved adhesion of the subsequently applied impregnating agent
Aufgrund der sehr hohen Porosität der Oberfläche können beispielsweise omniphobe, schwerflüchtige Öle infiltriert werden, die von den morphologisch angepassten MOF- Beschichtungen wie von einem Schwamm aufgenommen und festgehalten werden. Due to the very high porosity of the surface, it is possible, for example, to infiltrate omniphobic, low-volatility oils, which are absorbed and retained by the morphologically adapted MOF coatings like a sponge.
Erfindungsgemäß erfolgt nach der elektrochemischen Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung das Aufbringen eines Imprägniermittels mit geringer Oberflächenspannung von < 30 mN/m auf die MOF-Beschichtung. According to the invention, after the electrochemical deposition of the organometallic framework compound, the application of an impregnating agent with a low surface tension of <30 mN / m onto the MOF coating takes place.
Eine zusätzliche Imprägnierung der MOF-Beschichtung führt vorteilhaft zu omniphoben Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils. An additional impregnation of the MOF coating advantageously leads to omniphobic properties of the surface of the component.
Omniphob bedeutet, dass die Oberfläche abweisend gegenüber einer Vielzahl an polaren und unpolaren Fluiden ist. Auch polare und unpolare Fluide mit geringen Oberflächenspannungen von > 10 mN/m) bis 50 mN/m, bevorzugt bis 30 mN/m weisen auf diesen Oberflächen einen erhöhten Kontaktwinkel auf, sodass eine Tropfenkondensation möglich ist. Gleiches gilt für Fluide mit höherer Oberflächenspannung. Omniphob means that the surface is repellent to a variety of polar and nonpolar fluids. Even polar and nonpolar fluids with low surface tensions of> 10 mN / m up to 50 mN / m, preferably up to 30 mN / m have an increased contact angle on these surfaces, so that dropwise condensation is possible. The same applies to fluids with higher surface tension.
Um die Tropfenbildung von Fluiden mit niedriger Oberflächenspannung zu ermöglichen, wird auf die MOF-Beschichtung ein Imprägniermittel mit niedriger Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufgetragen. To allow droplet formation of low surface tension fluids, a low surface tension modifier of <30 mN / m is applied to the MOF coating.
In einer Ausführungsform weist das Imprägniermittel eine niedrigere Oberflächenspannung als das zu kondensierende Fluid oder die Mischung zu kondensierender Fluide auf. In one embodiment, the impregnating agent has a lower surface tension than the fluid to be condensed or the mixture of fluids to be condensed.
Eine vorausgehende Behandlung mit Perfluorsilanen, wie aus dem Stand der Technik bei photolithographisch hergestellten Mikrostrukturen bekannt, ist vorteilhaft nicht mehr notwendig, um die gewünschten Benetzungseigenschaften und eine ausreichende Haftung des Imprägniermittels auf der MOF Beschichtung zu gewährleisten. A prior treatment with perfluorosilanes, as known from the prior art in photolithographically produced microstructures, is advantageously no longer necessary to ensure the desired wetting properties and sufficient adhesion of the impregnating agent on the MOF coating.
In einer Ausführungsform weist das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von < 30 mN/m, bevorzugt < 20 mN/m auf. In one embodiment, the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN / m, preferably <20 mN / m.
In einer Ausführungsform ist das Imprägniermittel ausgewählt aus Ölen, Fetten und/oder Verdickern auf Perfluorbasis. In one embodiment, the impregnating agent is selected from perfluorinated oils, fats and / or thickeners.
In einer Ausführungsform ist das Imprägniermittel ausgewählt aus perfluorierten Polymeren und/oder Perfluoralkylethern und/oder teilfluorierten und/oder polyfluorierten Polymeren oder Alkylethern. In einer Ausführungsform wird das Imprägniermittel aufgetragen durch Tauchen und/oder Besprühen und/oder Rotationsbeschichtung und/oder Schleuderbeschichtungsverfahren. In one embodiment, the impregnating agent is selected from perfluorinated polymers and / or perfluoroalkyl ethers and / or partially fluorinated and / or polyfluorinated polymers or alkyl ethers. In one embodiment, the impregnating agent is applied by dipping and / or spraying and / or spin-coating and / or spin-coating methods.
In einer Ausführungsform weist die erfindungsgemäß hergestellte omniphobe Oberflächenbeschichtung einen Kontaktwinkel von 1 15° bei Benetzung mit Wasser und/oder 60° bei Benetzung mit Aceton und/oder 95° bei Benetzung mit Diiodmethan auf. In one embodiment, the omniphobic surface coating produced according to the invention has a contact angle of 15 ° when wetted with water and / or 60 ° when wetted with acetone and / or 95 ° when wetted with diiodomethane.
Vorteilhaft weisen Fluide mit niedrigen Oberflächenspannungen von > 10 bis < 30 mN/m auf den erfindungsgemäß beschichteten Bauteilen einen für die Tropfenkondensation geeigneten Kontaktwinkel von mindestens 35 Grad, bevorzugt mindestens 50 Grad auf. Advantageously, fluids with low surface tensions of> 10 to <30 mN / m on the components coated according to the invention have a contact angle of at least 35 degrees, preferably at least 50 degrees, suitable for dropwise condensation.
Vorteilhaft sind die erfindungsgemäß hergestellten omniphoben Oberflächen mechanisch stabiler als bisher bekannte glatte, perfluorierte omniphobe Oberflächen. Advantageously, the omniphobic surfaces produced according to the invention are mechanically more stable than hitherto known smooth, perfluorinated, omniphobic surfaces.
Ein weiterer Vorteil in der Kombination aus der erfindungsgemäßen Beschichtung der Oberfläche des Bauteils mit metallorganischen Gerüstverbindungen und deren Imprägnierung liegt in der verbesserten Haftung des Imprägniermittels auf der hierarchisch strukturierten MOF-Schicht durch günstige intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Imprägniermittel und MOF. Das im Stand der Technik oft beobachtete Auswaschen des Imprägniermittels durch das Kondensat kann dadurch verringert werden. Dieser physikalisch-mechanische Effekt wurde durch ESEM Messungen nachgewiesen, welche nach dem Auftrag des Imprägniermittels durchgeführt wurden. Wie in Fig. 9a-c gezeigt, ist die Schicht des Imprägniermittels kein geschlossener Film sondern an einigen Stellen durchbrochen, weil einige größere MOF Kristalle als Spitzen aus der Imprägniermittelschicht herausragen. Zwischen diesen Spitzen wird das Imprägniermittel durch Adhäsionskräfte festgehalten und ein mechanisches Entfernen, beispielsweis durch Auswaschen, ist unmittelbar erschwert. A further advantage in the combination of the inventive coating of the surface of the component with organometallic framework compounds and their impregnation lies in the improved adhesion of the impregnating agent on the hierarchically structured MOF layer by favorable intermolecular interactions between impregnating agent and MOF. The washing-off of the impregnating agent by the condensate, which is often observed in the prior art, can thereby be reduced. This physical-mechanical effect was detected by ESEM measurements, which were carried out after application of the impregnating agent. As shown in Figs. 9a-c, the impregnating agent layer is not a closed film but is broken in some places because some larger MOF crystals protrude from the impregnating agent layer as peaks. Between these tips, the impregnating agent is held by adhesive forces and mechanical removal, for example by washing, is immediately more difficult.
In Abb. 10 ist eine erfindungsgemäße, imprägnierte MOF Oberfläche im Querschnitt gezeigt. Es findet keine geschlossene Filmbildung statt, sondern einzelne Spitzen der MOF Kristalle ragen aus der Imprägniermittelschicht hervor. Das Imprägniermittel wird durch Adhäsionskräfte an der MOF Oberfläche gebunden. FIG. 10 shows a cross section of an impregnated MOF surface according to the invention. There is no closed film formation, but individual tips of the MOF crystals protrude from the impregnating agent layer. The impregnating agent is bound by adhesion forces on the MOF surface.
Damit ist die Haftung des Imprägniermittels vorteilhaft nicht mehr abhängig von der chemischen Beschaffenheit von Imprägniermittel und MOF Oberfläche und eine chemische Modifikation der Oberfläche vor der Impränierung ist nicht mehr notwendig. Thus, the adhesion of the impregnating agent is advantageously no longer dependent on the chemical nature of the impregnating agent and MOF surface and a chemical modification of the surface prior to impregnation is no longer necessary.
Vorteilhaft sind zudem durch die Auswahl der Linkerverbindung die individuellen physikochemischen Eigenschaften der jeweiligen MOF-Verbindung beeinflussbar. So kann sogar eingestellt werden, in welchem Ausmaß der Kontaktwinkel der kondensierenden Fluide durch das Schmiermittel gesteigert wird, was vermutlich auf verbesserte Wechselwirkung der Linkermoleküle mit dem Schmiermittel zurückzuführen ist. Als besonders vorteilhaft hat sich die Kombination Imidazolat-basierter MOF und Perfluoralkylether-basierter Imprägniermittel erwiesen. Die Oberflächenenergie der MOF mit Imidazolat-Linker ist noch deutlich niedriger als die der Carboxylat-MOF, was zu einer besonders guten Haftung des Imprägniermittels auf der MOF-Beschichtung führen kann. Advantageously, the individual physicochemical properties of the respective MOF compound can be influenced by the selection of the linker compound. Thus, it can even be adjusted to what extent the contact angle of the condensing fluids is increased by the lubricant, which is probably due to improved interaction of the linker molecules with the lubricant. The combination of imidazolate-based MOF and perfluoroalkyl ether-based impregnating agent has proven particularly advantageous. The surface energy of the MOF with imidazolate linker is still significantly lower than that of the carboxylate MOF, which can lead to a particularly good adhesion of the impregnating agent on the MOF coating.
Vorteilhaft lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch komplex aufgebaute Bauteile oder Bauteile im technischen Maßstab mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung versehen. Advantageously, with the method according to the invention, even complex components or components can be provided on an industrial scale with an omniphobic surface coating.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der kurzen Dauer der Herstellung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen. Another advantage of the method according to the invention lies in the short duration of the production of an omniphobic surface coating on components.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine omniphobe Oberflächenbeschichtung, enthaltend eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, wobei die metallorganische Gerüstverbindung Mikro- und/oder Meso- und/oder Makroporen und/oder -Kanäle enthält, wobei die metallorganische Gerüstverbindung ein Porenvolumen von 0,002 cm3/g bis 3,500 cm3/g, bevorzugt 0,010 cm3/g bis 0,080 cm3/g aufweist, wobei die metallorganische Gerüstverbindung eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g bis 2500 m2/g aufweist, bevorzugt 50 m2/g bis 1500 m2/g wobei die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung 0,1 μηη bis 1000 μηι, bevorzugt 2 μηη bis 100 μηι, besonders bevorzugt 2 bis 10 μηη beträgt, wobei das Imprägniermittel eine Oberflächenspannung von < 30 mN/m, bevorzugt < 20 mN/m aufweist. The invention also provides an omniphobic surface coating comprising an organometallic framework compound and an impregnating agent, the organometallic framework compound containing micropores and / or meso- and / or macropores and / or channels, the organometallic framework compound having a pore volume of 0.002 cm 3 / g to 3,500 cm3 / g, preferably 0.010 cm3 / g to 0.080 cm3 / g, wherein the metal-organic framework compound has a specific surface area of 5 m2 / g to 2500 m2 / g, preferably 50 m 2 / g to 1500 m 2 / g wherein the layer thickness of the surface coating 0.1 μηη to 1000 μηι, preferably 2 μηη to 100 μηι, more preferably 2 to 10 μηη, wherein the impregnating agent has a surface tension of <30 mN / m, preferably <20 mN / m.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen omniphoben Oberflächenbeschichtung auf Bauteilen zur Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 75 mN/m, bevorzugt < 50 mN/m, besonders bevorzugt < 30 mN/m. The invention also relates to the use of an omniphobic surface coating according to the invention on components for droplet condensation of fluids having a surface tension of <75 mN / m, preferably <50 mN / m, more preferably <30 mN / m.
In einer Ausführungsform sind die Fluide ausgewählt aus organischen Lösungsmitteln und/oder Kältemitteln und/oder Mischungen dieser. In one embodiment, the fluids are selected from organic solvents and / or refrigerants and / or mixtures thereof.
In einer Ausführungsform sind die Fluide ausgewählt aus Alkoholen, Ketonen, aromatischen und/oder aliphatischen Kohlenwasserstoffen, halogenierten Kohlenwasserstoffen und/oder anorganischen Fluiden. In one embodiment, the fluids are selected from alcohols, ketones, aromatic and / or aliphatic hydrocarbons, halogenated hydrocarbons and / or inorganic fluids.
Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen omniphoben Oberflächenbeschichtung in Wärmeübertragern. The invention also provides the use of an omniphobic surface coating according to the invention in heat exchangers.
In einer Ausführungsform sind die Wärmeübertrager ausgewählt aus rekuperativen Wärmeübertragern, beispielsweise Rohrbündelwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und Spiralwärmeübertrager. In one embodiment, the heat exchangers are selected from recuperative heat exchangers, for example shell and tube heat exchangers, plate heat exchangers and spiral heat exchangers.
Die wärmeübertragenden Flächen des Wärmeübertragers werden dabei einseitig oder beidseitig beschichtet. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Wärmeübertrager, umfassend eine omniphobe Oberflächenbeschichtung, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. The heat-transferring surfaces of the heat exchanger are coated on one or both sides. The invention also provides a heat exchanger comprising an omniphobic surface coating, produced by a method according to the invention.
In einer Ausführungsform ist der Wärmeübertrager ausgewählt aus Rohrbündelwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager und/oder Spiralwärmeübertrager. In one embodiment, the heat exchanger is selected from shell-and-tube heat exchangers, plate heat exchangers and / or spiral heat exchangers.
Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche in zweckmäßig miteinander zu kombinieren. For the realization of the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments according to the invention, embodiments and features of the claims in an expedient manner.
Nachfolgende Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung näher erläutern, ohne diese jedoch darauf zu beschränken: The following exemplary embodiments are intended to explain the invention in more detail, without, however, limiting it to:
Die Abbildungen zeigen jeweils: The pictures show:
Fig. 1 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kupfer-Trimesat-MOF- Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1 , welche die Mikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht zeigt; 1 shows a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to Example 1, which shows the microstructuring of the coating from the top view;
Fig. 2 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Kupfer-Trimesat-MOF- Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1 , welche die Submikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht zeigt; 2 shows a scanning electron micrograph of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to Example 1, which shows the submicrostructuring of the coating from the top view;
Fig. 3 ein mit Cobalt-KQ-Strahlung (λ = 1 ,790307 Ä) gemessenes Röntgendiffraktogramm der Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 1 , wobei der 29-Wert in Grad auf der Abszissenachse und die Signalintensität als Zählimpuls linear auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Darunter ist ein zur Auswertung verwendetes berechnetes Referenzdiffraktogramm abgebildet; FIG. 3 shows an X-ray diffractogram of the copper trimesate MOF coating on a copper component according to exemplary embodiment 1 measured with cobalt K Q radiation (λ = 1.790307), the 29 value in degrees on the abscissa axis and the signal intensity as Count is plotted linearly on the ordinate axis. Below is a calculated reference diffractogram used for the evaluation;
Fig. 4 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Mangan-Dihydrogentrimesat- MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 2. Zu sehen ist die Mikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht; 4 is a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogentrimide MOF coating on a stainless steel component according to embodiment 2. The microstructuring of the coating from the top view can be seen;
Fig. 5 eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Mangan-Dihydrogentrimesat- MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Beispiel 2. Zu sehen ist die Submikrostrukturierung der Beschichtung aus der Draufsicht; 5 is a scanning electron micrograph of the manganese dihydrogentrimide MOF coating on a stainless steel component according to Example 2. The sub-microstructuring of the coating from the top view is shown;
Fig. 6 das mit Cobalt-KQ-Strahlung (λ = 1 ,790307 Ä) gemessene Röntgendiffraktogramm der Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Beispiel 2, wobei der 29-Wert in Grad auf der Abszissenachse und die Signalintensität als Zählimpuls linear auf der Ordinatenachse aufgetragen ist. Darunter abgebildet ist ein zur Auswertung verwendetes Referenzpulverdiffraktogramm der MOF-Verbindung. FIG. 6 shows the X-ray diffractogram of the manganese dihydrogen trime- nate MOF coating measured on cobalt K Q radiation (λ = 1.790307) on a stainless steel component according to Example 2, the 29 value in degrees on the abscissa axis and the signal intensity as Count is plotted linearly on the ordinate axis. Shown below is a reference powder diffractogram of the MOF compound used for evaluation.
Fig. 7 eine schematische Darstellung der elektrochemischen Abscheidungszellen gemäß der Beispiele 1 und 2 mit Arbeitselektrode (AE), Gegenelektrode (GE), Referenzelektrode (RE), Salzbrücke (SB) und Elektrolyt (schraffiert dargestellt). Fig. 7 is a schematic representation of the electrochemical deposition cells according to Examples 1 and 2 with working electrode (AE), counter electrode (GE), reference electrode (RE), salt bridge (SB) and electrolyte (shown hatched).
Fig. 8 schematische Darstellung von Benetzungszuständen eines Wassertropfens auf a) glatten und b), c) auf strukturierten, hydrophoben Oberflächen 8 is a schematic representation of wetting states of a water droplet on a) smooth and b), c) on structured, hydrophobic surfaces
Fig. 9 Die ESEM Aufnahmen a und b zeigen elektrochemisch abgeschiedenes Cu— BTC, welches mit perfluoriertem Öl behandelt wurde. Deutlich sind die Erhebungen der MOF Kristalle aus dem Flüssigkeitsfilm erkennbar. Dies wird in c noch einmal schematisch dargestellt. Fig. 9 ESEM images a and b show electrochemically deposited Cu-BTC treated with perfluorinated oil. The elevations of the MOF crystals from the liquid film are clearly recognizable. This is shown schematically again in c.
Fig. 10 Imprägnierte MOF Oberfläche im Querschnitt (Skizze) Ausführungsbeispiele Fig. 10 Impregnated MOF surface in cross-section (sketch) embodiments
Beispiel 1 : Imprägnierte Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil Example 1: Impregnated Copper Trimesate MOF Coating on a Copper Member
Die Oberfläche des Bauteils aus Reinstkupfer wurde zunächst mit einem in Ethanol getränktem fusselfreien Zellstofftuch gereinigt und dann mit entionisiertem Wasser abgespült und im Luftstrom getrocknet. The surface of the component made of pure copper was first cleaned with a lint-free cellulose cloth soaked in ethanol and then rinsed with deionized water and dried in a stream of air.
In einer elektrochemischen Abscheidungszelle (Fig. 7), bestehend aus einem Teflonkörper in der Form eines Hohlzylinders, der zur oberen Seite hin offen ist und im Boden eine kreisförmige Aussparung aufweist, einem Dichtungsring und einer bodenseitig angeschraubten Teflonplatte, wurde das flache Bauteil der Abmessung 1 ,5 cm x 1 ,5 cm aus Reinstkupfer als Arbeitselektrode (Anode) geschaltet und der in die Elektrolytlösung eingebrachte Flächenanteil beschichtet.  In an electrochemical deposition cell (Fig. 7) consisting of a Teflon body in the form of a hollow cylinder open to the upper side and having a circular recess in the bottom, a sealing ring and a Teflon plate screwed on the bottom, the flat component of dimension 1 was obtained , 5 cm x 1, 5 cm of pure copper as a working electrode (anode) connected and coated the introduced into the electrolyte solution surface portion.
Dabei wurde eine Platingegenelektrode (Kathode, Fläche 2 cm x 2 cm) mit etwa 1 cm Abstand zur Arbeitselektrode und eine Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode über eine Salzbrücke in die obere Öffnung der elektrochemischen Abscheidungszelle eingebracht.  In this case, a platinum counter electrode (cathode, area 2 cm x 2 cm) with about 1 cm distance to the working electrode and a mercury / mercury sulfate reference electrode was introduced via a salt bridge in the upper opening of the electrochemical deposition cell.
Ein Flächenanteil der Arbeitselektrode von 0,78 cm2 wurde in die Elektrolytlösung, aus 10 ml eines 3:1 (v/v)-Gemischs von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser mit 0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,06 mol/l Tributylmethylammonium-Methylsulfat, bei einer Temperatur von 50 °C eingebracht. Ein Potential von 0,5 V gegenüber der Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode wurde für 10 min mit einem Heka PG310 Potentiostat angelegt. Eine Minute nach Beendigung der Polarisierung wurde der Elektrolyt entfernt, die Bauteilprobe ausgebaut und jeweils zweimal mit jeweils 15 ml Ethanol und 15 ml entionisiertem Wasser gespült und zunächst an Luft getrocknet. An area fraction of the working electrode of 0.78 cm 2 was added to the electrolytic solution, from 10 ml of a 3: 1 (v / v) mixture of 100% ethanol and deionized water with 0.05 mol / l trimesic acid and 0.06 mol / l tributylmethylammonium methyl sulfate, introduced at a temperature of 50 ° C. A potential of 0.5 V with respect to the mercury / mercury sulfate reference electrode was applied for 10 minutes with a Heka PG310 potentiostat. One minute after completion of the polarization of the electrolyte was removed, the component sample removed and rinsed twice with 15 ml of ethanol and 15 ml of deionized water and dried first in air.
Die durchschnittliche Schichtdicke der so hergestellten mikrostrukturierten Kupfer-Trimsat- MOF-Beschichtung wurde anhand von Querschnittsaufnahmen, die mit dem Rasterelektronenmikroskop FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) aufgenommen wurden, mit durchschnittlich 12,5 μηη bestimmt.  The average layer thickness of the microstructured copper trimsate MOF coating thus produced was determined on the basis of cross-sectional images taken with the Scanning Electron Microscope FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) with an average of 12.5 μm.
Das Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Kupfer-Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem flachen Kupferbauteil ist in Fig. 3 (oben) dargestellt und zeigt das charakteristische Signalmuster eines Kupfer-Trimesat-MOF. Als Referenz dient ein berechnetes Diffraktogramm der Verbindung HKUST-1 , deren Struktur in der Cambrige Structural Database unter CCDC- Nummer 1 12954 abgelegt ist (Fig. 3, unten). Die Messung wurde im Reflexionsmodus mit einem Philips 1050 Diffraktometer mit einer Cobalt-Ka-Strahlungsquelle (λ = 1 ,790307 Ä) durchgeführt.  The X-ray diffractogram of the copper trimesate MOF coating thus prepared on a flat copper component is shown in Fig. 3 (top) and shows the characteristic signal pattern of a copper trimesate MOF. The reference is a calculated diffractogram of the compound HKUST-1, the structure of which is stored in the Cambrige Structural Database under CCDC number 1 12954 (FIG. 3, bottom). The measurement was carried out in reflection mode with a Philips 1050 diffractometer with a cobalt Ka radiation source (λ = 1.790307 Å).
Nach drei Stunden Trocknung wurde das elektrochemisch abgeschiedene MOF mit dem Schmiermittel Krytox GPL 105 (DuPont) imprägniert.  After drying for three hours, the electrodeposited MOF was impregnated with the Krytox GPL 105 (DuPont) lubricant.
Vor dem Imprägnieren wurde die Oberfläche zunächst für drei Stunden unter Vakuumbedingungen bei 3 x 10-3 mbar und Raumtemperatur (25 °C) getrocknet.  Before impregnation, the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3 × 10 -3 mbar and room temperature (25 ° C.).
Das Imprägnieren erfolgte anschließend bei Umgebungsdruck unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einem Handschuhkasten. Die Imprägnierung erfolgte durch Aufträufeln des Schmiermittels, bis die Oberfläche vollständig bedeckt war. In diesem Zustand wurde die Oberfläche für 10 Minuten belassen. Um überflüssiges Schmiermittel zu entfernen, wurde die Oberfläche anschließend für ca. 20 Sekunden mit trockenem Stickstoff angeblasen.  The impregnation was then carried out at ambient pressure under a protective gas atmosphere (argon) in a glove box. The impregnation was carried out by sprinkling the lubricant until the surface was completely covered. In this state, the surface was left for 10 minutes. To remove excess lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for about 20 seconds.
Auf der imprägnierten Oberfläche wurden an dem Kontaktwinkelmessgerät DSA100 (KRÜSS) Kontaktwinkelmessungen nach DIN 55660-2 (Beschichtungsstoffe - Benetzbarkeit - Teil 2: Bestimmung der freien Oberflächenenergie fester Oberflächen durch Messung des Kontaktwinkels) durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Kontaktwinkel gemessen:  Contact angle measurements according to DIN 55660-2 (coating materials - wettability - Part 2: Determination of the free surface energy of solid surfaces by measuring the contact angle) were carried out on the impregnated surface on the contact angle measuring instrument DSA100 (KRÜSS). The following contact angles were measured:
1 14° ± 1 ° für Wasser, 1 14 ° ± 1 ° for water,
95° ± 1 ° für Diiodmethan und  95 ° ± 1 ° for diiodomethane and
61 ° ± 1 ° für Aceton. Beispiel 2: Imprägnierte Mangan-Dihvdrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf Edelstahlbauteil61 ° ± 1 ° for acetone. Example 2 Impregnated Manganese Dihydrogen Trimesate MOF Coating on Stainless Steel Member
Die Oberfläche des Bauteils aus Edelstahl wurde zunächst mit einem in Ethanol getränktem fusselfreien Zellstofftuch gereinigt und dann mit entionisiertem Wasser abgespült und im Luftstrom getrocknet. The surface of the stainless steel component was first cleaned with a lint-free cellulose cloth soaked in ethanol and then rinsed with deionized water and dried in a stream of air.
In einer elektrochemischen Abscheidungszelle (Fig. 7), bestehend aus einem Teflonkörper in der Form eines Hohlzylinders, der zur oberen Seite hin offen ist und im Boden eine kreisförmige Aussparung aufweist, einem Dichtungsring und einem bodenseitig angeschraubten Teflonplatte, wurde das flache Bauteil aus Edelstahl der Abmessung 1 ,5 cm x 1 ,5 cm als Arbeitselektrode (Kathode) geschaltet und der in die Elektrolytlösung eingebrachte Flächenanteil beschichtet.  In an electrochemical deposition cell (Fig. 7) consisting of a Teflon body in the form of a hollow cylinder open to the upper side and having a circular recess in the bottom, a sealing ring and a Teflon plate screwed to the bottom, the flat stainless steel component was made Dimension 1, 5 cm x 1, 5 cm connected as a working electrode (cathode) and coated the introduced into the electrolyte solution area fraction.
Dabei wurde eine Edelstahlgegenelektrode (Anode, Fläche 1 ,6 cm x 3 cm), welche senkrecht mit etwa 0,5 cm Abstand zur Arbeitselektrode ausgerichtet war, und eine Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode über eine Salzbrücke in die obere Öffnung der elektrochemischen Abscheidungszelle eingebracht.  In this case, a stainless steel counter electrode (anode, area 1, 6 cm x 3 cm), which was aligned perpendicular to about 0.5 cm from the working electrode, and a mercury / mercury sulfate reference electrode via a salt bridge in the upper opening of the electrodeposition cell introduced.
Ein Flächenanteil der Arbeitselektrode von 0,78 cm2 wurde der wässrigen 0,1 mol/l Mangan(ll)-sulfat enthaltenden Elektrolytlösung bei Raumtemperatur (23 - 25 °C) ausgesetzt und ein Potential von -2,0 V gegenüber einer Quecksilber/Quecksilbersulfat- Referenzelektrode für eine Dauer von 30 Minuten mit einem Methrom Autolab PGSTAT204 Potentiosaten angelegt. Danach wurde die wässrige Mangan(ll)-sulfat-Elektrolytlösung aus der elektrochemischen Abscheidungszelle entfernt und der Aufbau inklusive der auf dem Edelstahlbauteil elektrochemisch abgeschiedenen Manganbeschichtung dreimal mit jeweils 50 ml entionisiertem Wasser und einmal mit 50 ml Ethanol gespült und an Luft bei Raumtemperatur für 2 min getrocknet.  An area ratio of the working electrode of 0.78 cm 2 was exposed to the aqueous 0.1 mol / l manganese (II) sulfate-containing electrolytic solution at room temperature (23-25 ° C) and a potential of -2.0 V against a mercury / mercury sulfate - Reference electrode applied for a period of 30 minutes with a Methrom Autolab PGSTAT204 potentiostat. Thereafter, the aqueous manganese (II) sulfate electrolytic solution was removed from the electrodeposition cell, and the structure including the manganese plating electrodeposited on the stainless steel member was rinsed three times with 50 ml each of deionized water and once with 50 ml of ethanol, and in air at room temperature for 2 minutes dried.
Zügig daran anschließend, um gesteigerte Oxidation der Manganbeschichtung an Luft zu vermeiden, wurden 10 ml einer Elektrolytlösung, enthaltend 0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,025 mol/l 2-Methylimidazol als strukturdirigierendes Additiv in einem 1 :1 (v/v)-Gemischs von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser, bei Raumtemperatur in die Elektrolysezelle eingebracht.  Rapidly thereafter, to avoid increased oxidation of the manganese coating in air, 10 ml of an electrolyte solution containing 0.05 mol / l trimesic acid and 0.025 mol / l 2-methylimidazole as a structure-directing additive in a 1: 1 (v / v). Mixture of 100% ethanol and deionized water at room temperature into the electrolytic cell.
Das Bauteil wurde nun als Arbeitselektrode (Anode) geschaltet, um die Mangan-Beschichtung elektrochemisch kontrolliert aufzulösen, und eine Platingegenelektrode (Kathode, Fläche 2 cm * 2 cm), welche parallel mit etwa 1 cm Abstand zur Arbeitselektrode ausgerichtet war, verwendet. The device was then switched as a working electrode (anode) to electrochemically control the manganese coating and a platinum counter electrode (cathode, 2 cm * 2 cm area) aligned parallel with the working electrode at about 1 cm.
Ein Potential von -1 ,25 V gegenüber der Quecksilber/Quecksilbersulfat-Referenzelektrode wurde für 60 min. angelegt. Eine Minute nach Beendigung der Polarisierung wurde der Elektrolyt entfernt, die Bauteilprobe ausgebaut und jeweils zweimal mit jeweils 15 ml Ethanol und 15 ml entionisiertem Wasser gespült und zunächst an Luft getrocknet. A potential of -1.25 V with respect to the mercury / mercury sulfate reference electrode was observed for 60 min. created. One minute after completion of the polarization of the Electrolyte removed, the component sample removed and rinsed twice with 15 ml of ethanol and 15 ml of deionized water and then dried in air.
Die durchschnittliche Schichtdicke der so hergestellten mikrostrukturierten Mangan- Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung wurde anhand von Querschnittsaufnahmen, die mit dem Rasterelektronenmikroskop FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss) aufgenommen wurden, mit 15,3 μηη bestimmt.  The average layer thickness of the microstructured manganese dihydrogen trime- nate MOF coating prepared in this way was determined to be 15.3 μm using cross-sectional images taken with the scanning electron microscope FEG Gemini Leo 1530 (Zeiss).
Das Röntgendiffraktogramm der so hergestellten Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF- Beschichtung auf einem flachen Edelstahlbauteil ist in Fig. 6 (oben) dargestellt und zeigt das charakteristische Signalmuster eines Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF, mit intensitätsschwachen, stark verbreiterten Signalen, die auf die Nanokristallinität der MOF- Kristallite zurückzuführen ist. Die Kristallite bilden zusätzlich eine mesoporöse Suprastruktur im Beschichtungsverbund aus, welche in Fig. 5 abgebildet ist.  The X-ray diffraction pattern of the manganese dihydrogen trigentate MOF coating thus prepared on a flat stainless steel component is shown in Fig. 6 (top) and shows the characteristic signal pattern of a manganese dihydrogen trigentate MOF with low intensity, greatly broadened signals based on the nanocrystallinity of the MOF - Crystallite is due. The crystallites additionally form a mesoporous superstructure in the coating composite, which is depicted in FIG. 5.
Aufgrund der geringen Schichtdicke ist im Messbereich außerdem ein dem Edelstahlbauteil zuzuordnendes entsprechend gekennzeichnetes Signal zu beobachten.  Due to the small layer thickness, a signal to be assigned to the stainless steel component is also to be observed in the measuring range.
Die Messung wurde im Reflexionsmodus mit einem Philips 1050 Diffraktometer mit einer Cobalt-Ka-Strahlungsquelle (λ = 1 ,790307 Ä) durchgeführt.  The measurement was carried out in reflection mode with a Philips 1050 diffractometer with a cobalt Ka radiation source (λ = 1.790307 Å).
Für die Auswertung wurde eine Referenzprobe hergestellt, die geeignete Kristalle für eine Röntgeneinkristallstrukturbestimmung und nach Zerkleinerung auch Röntgenpulverdiffrakto- metrie aufwies. Die Kristalle wurden nach sieben Tagen aus einem bei Raumtemperatur gelagertem 1 :1 Gemisch aus wässriger 0,1 M Mangan(ll)-sulfat-Lösung und einer dem MOF- Beschichtungselektrolyten analogen Lösung (0,05 mol/l Trimesinsäure und 0,025 mol/l 2- Methylimidazol in 1 :1 (v/v)-Gemisch von 100 %-igem Ethanol und entionisiertem Wasser) gewonnen.  For the evaluation, a reference sample was prepared which had suitable crystals for an X-ray single crystal structure determination and, after comminution, also X-ray powder diffractometry. The crystals were after seven days from a stored at room temperature 1: 1 mixture of aqueous 0.1 M manganese (II) sulfate solution and a solution analogous to the MOF coating electrolyte (0.05 mol / l trimesic acid and 0.025 mol / l 2-methylimidazole in 1: 1 (v / v) mixture of 100% ethanol and deionized water).
Das als Referenz in Fig. 6 (unten) gezeigte Pulverdiffraktogramm dieser Probe wurde im Transmissionsmodus mit einem Stoe Stadi P Diffraktometer mit einer Cobalt-Ka1 - Strahlungsquelle (λ = 1 ,78896 Ä) durchgeführt. Durch die Röntgeneinkristallstruktur- bestimmung wurden die Struktur und die Identität der Verbindung [Mn(H2BTC)2(H20)4] ermittelt. Dazu wurde ein messfähiger Kristall unter dem Lichtmikroskop ausgewählt, auf einen dünnen Glasfaden aufgeklebt und an einem Oxford Diffraction Xcalibur Einkristalldiffraktometer mit Sapphire 2 CCD Detektor bei λ = 0,71073 Ä gemessen. Die Datenreduktion erfolgte mit CrysalisRed von Oxford Diffraction und die finalen Auswertungsschritte, Strukturlösung und -Verfeinerung, mit ShelXS und ShelXL implementiert in XStep32 von Stoe. Nach drei Stunden Trocknung wurde das elektrochemisch abgeschiedene MOF mit dem Schmiermittel Krytox GPL 105 (DuPont) imprägniert. The powder diffraction pattern of this sample, shown as reference in Fig. 6 (bottom), was performed in the transmission mode with a Stoe Stadi P diffractometer with a cobalt Ka1 radiation source (λ = 1.78896 Å). The structure and identity of the compound [Mn (H2BTC) 2 (H20) 4] were determined by X-ray single crystal structure determination. For this purpose, a measurable crystal was selected under the light microscope, glued onto a thin glass thread and measured on an Oxford Diffraction Xcalibur single crystal diffractometer with Sapphire 2 CCD detector at λ = 0.71073 Å. The data reduction was done with Oxford Diffraction's CrysalisRed and the final evaluation steps, structure solution and refinement, with ShelXS and ShelXL implemented in XStep32 by Stoe. After drying for three hours, the electrodeposited MOF was impregnated with the Krytox GPL 105 (DuPont) lubricant.
Vor dem Imprägnieren wurde die Oberfläche zunächst für drei Stunden unter Vakuumbedingungen bei 3 x 10-3 mbar und Raumtemperatur (25 °C) getrocknet.  Before impregnation, the surface was first dried for three hours under vacuum conditions at 3 × 10 -3 mbar and room temperature (25 ° C.).
Das Imprägnieren erfolgte anschließend bei Umgebungsdruck unter Schutzgasatmosphäre (Argon) in einem Handschuhkasten. Die Imprägnierung erfolgte durch Aufträufeln des Schmiermittels, bis die Oberfläche vollständig bedeckt war. In diesem Zustand wurde die Oberfläche für 10 Minuten belassen. Um überflüssiges Schmiermittel zu entfernen, wurde die Oberfläche anschließend für ca. 20 Sekunden mit trockenem Stickstoff angeblasen.  The impregnation was then carried out at ambient pressure under a protective gas atmosphere (argon) in a glove box. The impregnation was carried out by sprinkling the lubricant until the surface was completely covered. In this state, the surface was left for 10 minutes. To remove excess lubricant, the surface was then blown with dry nitrogen for about 20 seconds.
Auf der Imprägnierten Oberfläche wurden an dem Kontaktwinkelmessgerät DSA100 (KRÜSS) Kontaktwinkelmessungen nach DIN 55660-2 durchgeführt. Dabei wurden die folgenden Kontaktwinkel gemessen:  Contact angle measurements according to DIN 55660-2 were carried out on the impregnated surface on the contact angle measuring device DSA100 (KRÜSS). The following contact angles were measured:
65° ± 3° für Wasser,  65 ° ± 3 ° for water,
95° ± 1 ° für Diiodmethan und  95 ° ± 1 ° for diiodomethane and
65° ± 2° für Aceton.  65 ° ± 2 ° for acetone.
Der im Vergleich zu Beispiel 1 verminderte Wasserkontaktwinkel ist auf die physikochemischen Eigenschaften des Linkermolekülgerüstes zurückzuführen, das beim Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF vier festgebundene hydrophil wirkende Wassermoleküle pro Formeleinheit aufweist, von denen der Wasserstoffbrückenbindungen enthaltende Gerüstaufbau bei dieser metallorganischen Verbindung abhängig ist. Dies illustriert die beschriebene Möglichkeit, das Ausmaß der Kontaktwinkelsteigerung der zu kondensierenden Fluide durch das Imprägniermittel oder durch die Wahl der MOF- beziehungsweise Linkerverbindungen zu beeinflussen.  The reduced water contact angle compared to Example 1 is due to the physicochemical properties of the linker molecule backbone, which has four bonded hydrophilic water molecules per formula unit in the manganese dihydrogentrimide MOF, of which the skeletal structure containing hydrogen bonds in this organometallic compound is dependent. This illustrates the described possibility of influencing the extent of the contact angle increase of the fluids to be condensed by the impregnating agent or by the choice of MOF or linker compounds.
Rasterelektronenmikroskopie ist für die Untersuchung der erfindungsgemäß hergestellten MOF-Beschichtungen eine sehr geeignete Methode (z. B. im Vergleich zu Physisorptionsmessungen) um die Porosität/Strukturiertheit und die Gestalt der Porosität zu untersuchen. So ist es relevant, wie die Poren an der Kristallitoberfläche gestaltet sind. Die Bestimmung der BET Oberfläche durch Physisorptionsmessungen ist hingegen irreführend, da eine eine hohe BET-Oberfläche in m2/g durch Poren im„Kristallitinneren" begründet sein könnte, während die Kristallitoberfläche relativ glatt ist.  Scanning electron microscopy is a very suitable method (eg in comparison to physisorption measurements) for investigating the MOF coatings produced according to the invention in order to investigate the porosity / structuredness and the shape of the porosity. So it is relevant how the pores are designed on the crystallite surface. The determination of the BET surface area by physisorption measurements, however, is misleading, since a high BET surface area in m2 / g could be due to pores in the "crystallite interior", while the crystallite surface is relatively smooth.
Die REM-Aufnahmen zeigen die Rauheit/Strukturierung in der Mikrometerskale (Fig. 1 bzw. Fig. 4) sowie in der Submikrometerskale bzw. Nanoskale (Fig. 2 bzw. Fig. 5) der erfindungsgemäß hergestellten superhierarchisch strukturierten MOF-Beschichtung (Kupfer- Trimesat-MOF-Beschichtung auf einem Kupferbauteil gemäß Beispiel 1 (siehe Fig. 1 und Fig. 2) und Mangan-Dihydrogentrimesat-MOF-Beschichtung auf einem Edelstahlbauteil gemäß Ausführungsbeispiel 2 (siehe Fig. 4 und Fig. 5)). The SEM images show the roughness / structuring in the micrometer scale (FIG. 1 or FIG. 4) as well as in the submicrometer scale or nanoscale (FIG. 2 or FIG. 5) of the superhierarchically structured MOF coating (copper Trimesat MOF coating on a copper component according to Example 1 (see FIG. 1 and FIG. 2) and manganese dihydrogentrimide-MOF coating on a stainless steel member according to Embodiment 2 (see Figs. 4 and 5)).
Die„schwarzen" Bereiche sind dabei die Zwischenräume/Poren, in die das Schmiermittel sich einlagert, ohne jedoch eine glatte Kristallitflache zu verursachen. Die hellen Bereiche sind der Kristallinen MOF-Verbindung zuzuordnen. In den Fig. 1 , 2, 4 und 5 sieht man die Morphologie/Gestalt der MOF-Beschichtungen.  The "black" areas are the interstices / pores in which the lubricant settles, but without causing a smooth crystallite area.The bright areas are attributable to the crystalline MOF compound, as seen in FIGS. 1, 2, 4, and 5 the morphology / shape of the MOF coatings.
Die Kristllinität zeigt sich anhand der Reflexe in der Rontgenbeugung (Fig. 3 bzw. Fig. 6). Die Aufnahmen sind vor der Imprägnierung gemacht. The crystallinity is shown by the reflections in the X-ray diffraction (FIG. 3 or FIG. 6). The pictures are taken before the impregnation.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen mit einer omniphoben Oberflächenbeschichtung, enthaltend mindestens eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, mit den Schritten,  1 . Process for coating components with an omniphobic surface coating, comprising at least one organometallic skeleton compound and an impregnating agent, with the steps of
- elektrochemische Abscheidung der metallorganischen Gerüstverbindung auf dem Bauteil mittels Elektrolyse, aus einer Elektrolytlösung, enthaltend mindestens ein Metallion, mindestens eine Linkerverbindung und ein Lösungsmittel,  Electrochemical deposition of the organometallic skeleton compound on the component by means of electrolysis, from an electrolyte solution containing at least one metal ion, at least one linker compound and a solvent,
- Aufbringen eines Imprägniermittels auf die metallorganische Gerüstverbindung,  Application of an impregnating agent to the organometallic framework compound,
wobei das Metallion  the metal ion
i) als Metallionensalz in der Elektrolytlösung gelöst ist und/oder  i) is dissolved as metal ion salt in the electrolyte solution and / or
ii) durch elektrolytische Oxidation oder Reduktion eines in Bauteil und/oder Elektrode enthaltenen Metallionenvorläufers an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolytlösung generiert und/oder in der Elektrolytlösung bereitgestellt wird,  ii) generated by electrolytic oxidation or reduction of a metal ion precursor contained in the component and / or electrode at the interface between the electrode and the electrolyte solution and / or provided in the electrolyte solution,
und wobei das Bauteil  and wherein the component
a) gleichzeitig Elektrode ist  a) is the same electrode
oder  or
b) in ein elektrisches Feld zwischen mindestens zwei Elektroden eingebracht wird,  b) is introduced into an electric field between at least two electrodes,
wobei die Linkerverbindung eine organische, mindestens einzähnige Verbindung ist, und wobei das Imprägniermittel eine geringe Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufweist.  wherein the linker compound is an organic, at least monodentate compound, and wherein the impregnating agent has a low surface tension of <30 mN / m.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Abscheidung potentiostatisch, galvanostatisch und/oder mit Strom- und/oder mit Spannungspulsen erfolgt.  2. The method according to claim 1, characterized in that the electrochemical deposition takes place potentiostatically, galvanostatically and / or with current and / or voltage pulses.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die organische, mindestens einzähnige Verbindung mindestens eine funktionelle Gruppe enthält, ausgewählt aus Carboxylatgruppen, Sulfonatgruppen, Phosphonatgruppen, Imidazolatgruppen, Pyridingruppen, Phenanthrolingruppen, Triazolatgruppen und/oder Tetrazolatgruppen. 3. The method according to claim 1, characterized in that the organic, at least monodentate compound contains at least one functional group selected from carboxylate groups, sulfonate groups, phosphonate groups, imidazolate groups, pyridine groups, phenanthroline groups, triazolate groups and / or tetrazolate groups.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkerverbindung während der Elektrolyse aus mindestens einer Linkervorläuferverbindung gebildet wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the linker compound is formed during the electrolysis of at least one linker precursor compound.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die elektrochemische Umsetzung mindestens eines Bestandteils der Elektrolytlösung während der Elektrolyse die chemische Reaktion zur Bildung der Linkerverbindung aus der korrespondierenden Linkervorläuferverbindung ausgelöst wird. 5. The method according to claim 4, characterized in that is triggered by the electrochemical reaction of at least one component of the electrolyte solution during the electrolysis, the chemical reaction to form the linker compound from the corresponding linker precursor compound.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkervorläuferverbindung ausgewählt ist aus den freien Säuren oder Anhydriden der Linkerverbindungen. 6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the linker precursor compound is selected from the free acids or anhydrides of the linker compounds.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung zusätzlich ein Leitsalz und/oder strukturdirigierendes Additiv enthält. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrolyte solution additionally contains a conductive salt and / or structure-directing additive.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Metallion zur Synthese der metallorganischen Gerüstverbindung ausgewählt ist aus Cu+, Cu2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Co3+, Al3+, Mg2+, Ti4+, Ti3+, Zr4*, Mn3+, Mn4+, Cr3", V2+, V3+, V4+, Mo3+, W3+, Ni2+, ΝΓ, Ag+, Au+, Sn2+, Sn4+, Si2+, Si4+, Pb2+, Pb4+ und/oder Zn2+. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one metal ion for the synthesis of the organometallic skeleton compound is selected from Cu + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Co 2+ , Co 3+ , Al 3+ , Mg 2+ , Ti 4+ , Ti 3+ , Zr 4 *, Mn 3+ , Mn 4+ , Cr 3 ", V 2+ , V 3+ , V 4+ , Mo 3+ , W 3 + , Ni 2+ , ΝΓ, Ag + , Au + , Sn 2+ , Sn 4+ , Si 2+ , Si 4+ , Pb 2+ , Pb 4+ and / or Zn 2+ .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Metallionvorläufer enthaltendes Material ist. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the component is a metal ion precursor containing material.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial und eine Metallionvorläufer enthaltende Beschichtung umfasst. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the component comprises an electrically conductive carrier material and a metal ion precursor-containing coating.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil während der elektrochemischen Abscheidung als Metallionen generierende Elektrode geschaltet ist. 1 1. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the component is connected during the electrochemical deposition as a metal ion generating electrode.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als eine Linkerverbindung generierende Elektrode fungiert. 12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, characterized in that the component acts as a linker-generating electrode.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägniermittel ausgewählt ist aus perfluorierten Polymeren und/oder Perfluoralkylethern und/oder teilfluorierten und/oder polyfluorierten Polymeren oder Alkylethern. 13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the impregnating agent is selected from perfluorinated polymers and / or perfluoroalkyl ethers and / or partially fluorinated and / or polyfluorinated polymers or alkyl ethers.
14. Omniphobe Oberflächenbeschichtung, enthaltend eine metallorganische Gerüstverbindung und ein Imprägniermittel, wobei die metallorganische Gerüstverbindung Mikro- und/ oder Meso- und/oder Makroporen enthält, wobei die metallorganische Gerüstverbindung ein Porenvolumen von 0,002 cm3/g bis 3,5 cm3/g aufweist, wobei die metallorganische Gerüstverbindung eine spezifische Oberfläche von 5 m2/g bis 2500 m2/g aufweist, wobei die Schichtdicke der Oberflächenbeschichtung 100 nm bis 1 mm beträgt, wobei das Imprägniermittel eine Oberflächenspannung von < 30 mN/m aufweist. 14. Omniphobic surface coating, comprising an organometallic skeleton compound and an impregnating agent, wherein the organometallic skeleton compound micro- and / or meso- and / or macropores, wherein the organometallic skeleton compound has a pore volume of 0.002 cm 3 / g to 3.5 cm 3 / g wherein the organometallic skeleton compound has a specific surface area of 5 m 2 / g to 2500 m 2 / g, wherein the layer thickness of the surface coating is 100 nm to 1 mm, wherein the impregnating agent has a surface tension of <30 mN / m.
15. Verwendung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 auf Bauteilen zur Tropfenkondensation von Fluiden mit einer Oberflächenspannung von < 75 mN/m. 15. Use of an omniphobic surface coating according to claim 14 on components for droplet condensation of fluids having a surface tension of <75 mN / m.
16. Verwendung einer omniphoben Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 in Wärmeübertragern. 16. Use of an omniphobic surface coating according to claim 14 in heat exchangers.
17. Wärmeübertrager, umfassend eine omniphobe Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 14 oder hergestellt in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13. 17. A heat exchanger comprising an omniphobic surface coating according to claim 14 or produced in a method according to one of claims 1 to 13.
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