AT516720B1

AT516720B1 - Verfahren zur Herstellung einer Elektrode

Info

Publication number: AT516720B1
Application number: ATA50404/2015A
Authority: AT
Original assignee: Pro Aqua Diamantelektroden Produktion Gmbh & Co Kg
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2016-08-15
Also published as: AU2016264877B2; JP2018519417A; WO2016184714A1; AU2016264877A1; CA2985874A1; EP3298180A1; AT516720A4; US10626027B2; CA2985874C; US20180148357A1

Abstract

Elektrode aus in eine Trägerschicht (1) aus elektrisch nicht leitfähigem Material eingebetteten, synthetisch hergestellten, elektrisch leitfähigen, dotierten Diamantpartikeln (2), wobei die Diamantpartikel (2) an beiden Seiten der Trägerschicht (1) herausragen und aus einem Komgrößenbereich von 170 µm bis 420 µm stammen, wobei die Diamantpartikel (2) in der Elektrode Korngrößen aufweisen, die sich um höchstens 50 µm voneinander unterscheiden. Maximal 10 % der Diamantpartikel (2) weisen eine Korngröße außerhalb des jeweiligen Korngrößenbereiches auf.

Description

Beschreibung

ELEKTRODE

[0001] Die Erfindung betrifft eine Elektrode aus in eine Trägerschicht aus elektrisch nicht leitfähigem Material eingebetteten, synthetisch hergestellten, elektrisch leitfähigen, dotierten Diamantpartikeln, wobei die Diamantpartikel an beiden Seiten der Trägerschicht herausragen und aus einem Korngrößenbereich von 170 pm bis 420 pm stammen, wobei die Diamantpartikel in der Elektrode Korngrößen aufweisen, die sich um höchstens 50 pm voneinander unterscheiden.

[0002] Eine derartige Elektrode, die auch als Diamantpartikel-Elektrode bezeichnet wird, ist beispielsweise aus der WO 2007/116004 A2 bekannt. Die EP 2 631 335 A2 offenbart mehrere Verfahren zur Herstellung einer derartigen Diamantpartikel-Elektrode.

[0003] Diamantpartikel-Elektroden zeichnen sich durch eine hohe Überspannung für Sauerstoff und Wasserstoff aus und sind daher für eine Vielzahl von Oxidationsprozessen in wässriger Lösung besonders gut geeignet. Besonders vorteilhafte Anwendungen von Elektrolysezellen, die Diamantpartikel-Elektroden enthalten, liegen im Bereich der Wasseraufbereitung durch anodische Oxidation sowie im Bereich der Synthesechemie.

[0004] Die freistehenden Teile der Diamantpartikel sollten abgestimmt auf die Dicke der jeweiligen Trägerschicht möglichst groß sein, um hochwirksame Elektroden zur Verfügung zu stellen. Dabei hat die Trägerschicht eine bestimmte Dicke aufzuweisen, um der Elektrode eine gute Stabilität zu verleihen.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Elektrode der eingangs genannten Art qualitativ zu verbessern, indem der Anteil der aus der Trägerschicht herausragenden Teile der Diamantpartikel optimiert wird.

[0006] Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass maximal 10 % der Diamantpartikel eine Korngröße außerhalb des jeweiligen Korngrößenbereiches aufweisen.

[0007] Erfindungsgemäße Elektroden weisen daher beidseitig einen hohen Anteil an herausragenden Teilen der Diamantpartikel auf, da die Korngrößen voneinander nur gering abweichen. Auf diese Weise kann eine hohe Wirksamkeit der Elektrode sichergestellt werden.

[0008] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Elektrode Diamantpartikel auf, deren Korngrößen sich um höchstens 40 pm voneinander unterscheiden. Für eine optimale Wirksamkeit der Elektrode ist ferner eine Ausführung besonders vorteilhaft, bei der die Diamantpartikel Korngrößen aufweisen, die sich um höchstens 30 pm voneinander unterscheiden.

[0009] Bei qualitativ besonders hochwertigen Elektroden weisen maximal 5 %, vorzugsweise sogar maximal 3 %, der Diamantpartikel eine eine Korngröße außerhalb des jeweiligen Korngrößenbereiches aufweisen. Die durchschnittliche Korngröße der Diamantpartikel ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auf die Dicke der Trägerschicht derart abgestimmt, dass das Verhältnis der Dicke der Trägerschicht zur durchschnittlichen Korngröße der Diamantpartikel 1 : 3 bis 1 : 8 beträgt.

[0010] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist es für eine besonders gute Wirksamkeit der Elektrode von Vorteil, wenn an beiden Seiten der Trägerschicht der Anteil an freier, nicht von Diamantpartikeln eingenommener Oberfläche höchsten 50 % beträgt.

[0011] Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der schematischen Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, näher beschrieben. Dabei zeigen [0012] Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Abschnittes einer Elektrode und [0013] Fig. 2 eine Schnittansicht während der Herstellung der Elektrode.

[0014] Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine elektrochemische Zelle (Elektrolysezelle). Die Elektrode besteht, wie es Fig. 1 zeigt, aus dotierten, demnach elektrisch leitfähigen Diamantpartikeln 2, welche einlagig und ohne gegenseitigen Kontakt in eine Trägerschicht 1 aus Kunststoff eingebettet sind. Die Diamantpartikel 2 sind insbesondere in einem Hochdruck-/ Hochtemperaturverfahren hergestellte, vorzugsweise mit Bor dotierte Industriediamanten und daher Einkristalle. Die Diamantpartikel 2 können auch mit Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Niob, Lithium, Schwefel oder Sauerstoff dotiert sein.

[0015] Die Elektrode kann gemäß einem der in der EP 2 631 335 A2 bekannten Verfahren hergestellt sein, wobei eines dieser Verfahren im Folgenden zusammenfassend anhand der Fig. 2 beschrieben wird. Die in Fig. 1 gezeigte Trägerschicht 1 wird aus zwei Folien 4, 5 aus chemisch stabilen Polymeren hergestellt, beispielsweise aus Polytetrafluorethylen (Teflon), Polyvenylidenfluorid (PVDF) oder Perfluoralkoxylalkan (PVA) ), fluoriertem Ethylenpropylen (FEP), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Ethylene ChloroTriFluoroEthylene (ECTFE), Poly-chlortrifluorethylen (PCTFE), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) oder Polyphenylensulfid (PPS). Zwei Folien 4, 5 aus dem gleichen Material und mit einer gleich großen oder mit einer unterschiedlichen Stärke von 12,5 pm bis 250 pm, insbesondere 25 pm bis 100 pm, je nach Größe der Diamantpartikel 2, werden jeweils auf eine dünne Hilfsschicht 3 aus einem weichen, nachgiebigen Material aufgelegt. Die Dicke der Hilfsschichten 3 beträgt zwischen 0,5 mm und 3 mm. Als Material für die Hilfsschichten 3 kommt beispielsweise Polytetrafluorethylen (Teflon), Viton oder Kapton (Fluorelastomere der Firma Dupont), Neopren oder Silikon in Frage. Die Hilfsschichten 3 werden ebenso wie die Folien 4, 5 als Rollenware oder in Plattenform angeliefert und verwendet.

[0016] Fig. 2 zeigt den Aufbau während der Herstellung der Elektrode mit zwei Folien 4, 5, den dazwischen befindlichen Diamantpartikeln 2 und den jeweils auf den Außenseiten der Folien 4, 5 befindlichen Hilfsschichten 3. Die gemäß Fig. 2 zusammengefügten Schichten werden nun Druck und Wärme ausgesetzt, beispielsweise in einer Doppelbandpresse herkömmlichen Aufbaus. Die Pfeile in Fig. 2 zeigen die Richtung des in der Doppelbahnpresse von außen wirkenden Druckes. Unter der Einwirkung von Druck und Hitze schmelzen die Folien 4, 5 auf und werden fest miteinander verbunden. Dabei dringen die Diamantpartikel 2 an beiden Seiten der Schmelze in die Hilfsschichten ein, welche folglich jedes Partikel umschließen, wodurch dessen Oberfläche nicht von geschmolzenem Material benetzt werden kann und somit an den Außenseiten des Folienmaterials teilweise freigelegt wird. Der aus der Doppelbandpresse austretende Materialverbund wird optional gekühlt, die Hilfsschichten 3 werden abgezogen. Der Materialverbund kann nun zu Elektroden gewünschter Größe geschnitten werden.

[0017] Wie es Fig. 2 zeigt, kann zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der hergestellten Elektroden entweder zwischen zumindest eine der Folien 4, 5 und der jeweiligen Hilfsschicht 3 eine Stützschicht 6, ein- oder mehrlagig, welche als Stützgitter oder Stützgewebe oder dergleichen ausgeführt ist, eingebracht werden. Die Partikel 2 durchdringen während des Pressvorganges auch das Stützgitter bzw. Stützgewebe 6. Alternativ ist es möglich, ein Stützgitter oder Stützgewebe 6 auf der bereits hergestellten Elektrode auf eine Außenseite oder auf beide Außenseiten aufzubringen, beispielsweise aufzulaminieren oder aufzukleben. Als Material für das Stützgitter bzw. das Stützgewebe 6 eignen sich Kunststoffe, wie Polytetrafluorethylen (Teflon), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Perfluoralkoxylalkan (PFA), fluoriertes Ethylenprophylen (FEP), Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE), Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfid (PPS), Glasfasern, kunststoffbeschichtete Glasfasern, Keramiken oder Metalle. Bei dieser Ausführung enthält die fertig hergestellte Elektrode zumindest eine sie stabilisierende Stützschicht und kann vergleichsweise dünn, insbesondere aus dünneren Folien 4, 5, hergestellt werden.

[0018] Das Material für die Stützschicht(en) 6 wird auf das Material der Folien 4, 5 bezüglich des Schmelzpunktes abgestimmt, sodass die Stützschicht(en) 6 beim Aufschmelzen der Folien 4, 5 nicht schmelzen.

[0019] Die Diamantpartikel 2 werden aus bestimmten Korngrößenbereichen ausgewählt, um sicherzustellen, dass die freistehenden Anteile der Diamantpartikel 2 in Abhängigkeit von der jeweiligen Dicke der Trägerschicht 1 möglichst groß sind. Wird dieser Bereich zu groß gewählt, ist der Anteil an zu kleinen Diamantpartikeln 2, die gegebenenfalls sogar vollständig von der Trägerschicht bedeckt bleiben und unwirksam sind, relativ groß. Elektroden gemäß der Erfindung werden mit Diamantpartikeln 2 mit Korngrößen zwischen 170 pm und 420 pm hergestellt. Zur Herstellung einer bestimmten Elektrode werden Diamantpartikel 2 mit Korngrößen verwendet, deren Größendifferenz < 50 pm, vorzugsweise < 40 pm und besonders bevorzugt < 30 pm, beträgt. Maximal 10 %, insbesondere maximal 5 %, der Diamantpartikel 2 können Korngrößen außerhalb des jeweiligen Bereiches aufweisen. In der fertig hergestellten Elektrode soll die freie Oberfläche der Trägerschicht 1, das heißt die nicht von den herausstehenden Teilen der Diamantpartikel eingenommene Oberfläche, höchstens 50 % der Gesamtfläche der Trägerschicht 1, an beiden Seiten, betragen. Des Weiteren sollte das Verhältnis der Dicke der Trägerschicht zur durchschnittlichen Korngröße der für eine Elektrode verwendeten Diamantpartikel 2 zwischen 1 : 3 und 1 : 8 betragen. Die Bestimmung der Korngrößen der Diamantpartikel 2 erfolgt in an sich bekannter Weise durch Siebung unter Verwendung von Sieben mit unterschiedlicher Feinheit oder mittels Partikelanalysatoren. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 ..................Trägerschicht 2 ..................Diamantpartikel 3 ..................Hilfsschicht 4, 5..............Folie 6..................Stützschicht

Claims

Patentansprüche

1. Elektrode aus in eine Trägerschicht (1) aus elektrisch nicht leitfähigem Material eingebetteten, synthetisch hergestellten, elektrisch leitfähigen, dotierten Diamantpartikeln (2), wobei die Diamantpartikel (2) an beiden Seiten der Trägerschicht (1) herausragen und aus einem Korngrößenbereich von 170 pm bis 420 pm stammen, wobei die Diamantpartikel (2) in der Elektrode Korngrößen aufweisen, die sich tun höchstens 50 pm voneinander unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 10 % der Diamantpartikel (2) eine Korngröße außerhalb des jeweiligen Korngrößenbereiches aufweisen.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantpartikel (2) Korngrößen aufweisen, die sich um höchstens 40 pm voneinander unterscheiden.
3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantpartikel (2) Korngrößen aufweisen, die sich um höchstens 30 pm voneinander unterscheiden.
4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 5% der Diamantpartikel (2) eine Korngröße außerhalb des jeweiligen Korngrößenbereiches aufweisen.
5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Dicke der Trägerschicht (1) zur durchschnittlichen Korngröße der Diamantpartikel (2) 1 : 3 bis 1 : 8 beträgt.
6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten der Trägerschicht (1) der Anteil an freier, nicht von Diamantpartikeln (2) eingenommener Oberfläche höchstens 50 % beträgt.
7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine sie stabilisierende Stützschicht (6) enthält. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen