CH331841A - Process for producing a noble metal layer on iron cathodes of electrolytic water decomposers and iron cathodes with a noble metal layer produced by the process - Google Patents

Process for producing a noble metal layer on iron cathodes of electrolytic water decomposers and iron cathodes with a noble metal layer produced by the process

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CH331841A
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A Zdansky Ewald
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Lonza Ag
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

  

  Verfahren zur Herstellung einer     Edelmetallschicht    auf Eisenkathoden     elektrolytischer          Wasserzersetzer        und    Eisenkathode mit nach dem Verfahren     hergestellter        Edelmetallschicht       Die bei der elektrolytischen Herstellung  von Wasserstoff und     Sauerstoff    an der Ka  thode eines elektrolytischen     Wasserzersetzers     auftretende Überspannung setzt den Wir  kungsgrad der Elektrolyse bekanntlich so  stark herab, dass sich bei technischen Wasser  zersetzern mit wirtschaftlicher Strombela  stung ein Energieaufwand von 5,2 bis 5,

  4     kWh     je     Nni3    erzeugtem Wasserstoff ergibt; da die  Überspannung im Dauerbetrieb langsam wei  ter ansteigt, ergeben sich in der praktischen       Produktion    oft Werte von 5,6     kWh/Nni3     Wasserstoff und mehr.  



  Es ist bereits vorgeschlagen worden, die  Kathodenflächen von elektrolytischen Wasser  zersetzern durch eine mechanische oder elek  trolytische     Aufrauhung    bzw. durch das Auf  tragen von Chrom-, Tautal- oder     Schwamm-          eisenschiehten    so zu aktivieren, dass sich die       Wasserstoffüberspannung    merklich vermin  dert. Alle diese     Aktivierungssehichten    üben  ihre Wirkung jedoch nur für kurze Zeit aus,  so dass sich schon nach wenigen Tagen, spä  testens aber nach einigen Wochen, wieder  die gewohnten     Überspannungswerte    einstellen.  



  Aus dem Laboratorium ist es bekannt, dass  an     platiniertem    Platin, das heisst an massiven  Platinkathoden, welche mit Platinmohr über  zogen sind, keine     Wasserstoffüberspannung     entsteht.. Für die Kathoden von industriellen  elektrolytischen     Wasserzersetzern,    welche oft    einige     hundert    Quadratmeter Oberfläche be  sitzen, kommt aber die Verwendung von  Platinblech natürlich nicht in Frage;

   über  dies verläuft die     Grasentwicklung    bei den  technisch üblichen, unter Atmosphärendruck  arbeitenden und normal mit etwa 10     Amp.Idm2     belasteten     Wasserzersetzern    derart stürmisch,  dass eine normale     Platinmohrauflage    in kur  zer Zeit von den Kathoden weggespült sein  würde.  



  Es wurde nun gefunden, dass man durch  das Auftragen von dünnen     Edelmetallschieli-          ten    auf Eisenoberflächen zu einer Kathode  gelangt, welche eine stark verminderte Was  serstoffüberspannung aufweist. Als Edel  metall kommen hierbei in erster Linie Platin  und Palladium in Frage, und es genügen be  reits Auflagen von weniger als 10     g/m2,    um  eine lange Zeit wirksame Aktivierung zu er  zielen. Hierbei ergeben sich     besonders    aktive  und trotzdem mechanisch widerstandsfähige  Schichten, wenn man diese Schichten aus einer       wässerigen        Edelmetallsalzlösung    von sehr nied  riger Konzentration auf den Kathodenflächen  niederschlägt.

   Speziell bewährt haben sich  hierbei Lösungen mit weniger als 5     g,    vor  zugsweise sogar mit nur 0,1     bis    0,5 g, Edel  metall je Liter.  



  Demgemäss besteht das erfindungsgemässe  Verfahren     zur    Herstellung einer die Überspan  nung herabsetzenden     Edelmetallschicht    auf           Eisenkathoden    elektrolytischer     NV--asserzerset-          zer    darin, dass die     Edelmetallschicht    aus einer  wässerigen     Edelmetallsalzlösung,    welche weni  ger als 5 g wenigstens eines     tdelmetalles    pro  Liter enthält, niedergeschlagen wird.  



  Ausser diesem Verfahren betrifft das Pa  tent eine erfindungsgemässe Eisenkathode  eines elektrolytischen     Wasserzersetzers,    mit  einer die Überspannung herabsetzenden     Edel-          metallsehicht,    welche nach dem erfindungs  gemässen Verfahren     hergestellt    ist.  



  Im folgenden werden Ausführungsbeispiele  des erfindungsgemässen Verfahrens näher be  schrieben.  



  Gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel       wird    die     Edelmetallschicht    dadurch erzeugt,  dass in den fertig montierten und mit Elektro  lyt gefüllten     Wasserzersetzer    einige Liter  einer alkalischen     Platinsalzlösung    eingepumpt  werden, deren Konzentration so bemessen ist,  dass im     Wasserzersetzer    eine Konzentration:  von weniger als 0,2 g Platin je Liter Elektro  lyt entsteht. Auch bei sehr grossen     Wasser-          zersetzern    mit vielen Kubikmetern Elektrolyt  kommt man hierfür mit wenigen Gramm Pla  tin aus.

   Schaltet man nunmehr den Strom  ein, so schlägt sich das Platin in sehr dünner  Schicht auf den Kathodenflächen nieder  und vermindert die Wasserstoffüberspannung  schlagartig um mehrere Zehntel Volt. Die  erzielte     Erniedrigung    der Betriebsspannung  des     Wasserzersetzers    bleibt wochenlang be  stehen und lässt sich später wiederholt dadurch  zurückgewinnen, dass man den Strom Tür  einige Stunden ausschaltet.  



  Als noch günstiger hat es sieh erwiesen,  die einzelnen Kathoden, gemäss einem zweiten  Ausführungsbeispiel, vor dem Einbau zu de  kapieren und dann in einem wässerigen Bad  zu aktivieren, welches die     Edelmetalle    in Ge  stalt von gelösten Chloriden enthält; die als  Elektroden dienenden Lochbleche oder Metall  gewebe werden zu diesem Zweck in einer  flachen Schale mit der Lösung übergossen  und dann einige Minuten in der Lösung be  wegt.: Die Edelmetalle schlagen sich dann  ohne Einwirkung einer äussern Spannungs-    quelle unmittelbar durch     lonenaustausch    auf  der Eisenoberfläche nieder. Sie wandern hier  bei in das Kristallgitter des Eisens ein, wobei  für jedes niedergeschlagene     Edelmetallatom     ein Eisenatom in Lösung geht.

   Setzt man die  wässerige     Chloridlösung    mit etwa 0,5 g Platin  je Liter in, destilliertem Wasser an, so bildet  sich auf einer mit dem Grundmetall fest ver  wachsenen     Platingrundsehicht    eine fest haf  tende     Platinmohrauflage    von hoher und sehr  konstanter Aktivität. Die aufgetragene Pla  tinmenge wird hierbei zwar wesentlich höher  als im vorangehend beschriebenen Ausfüh  rungsbeispiel; sie bleibt jedoch mich in diesem  Falle unter 10 g Platin je     m2    Kathodenfläche.  



  Nahezu die gleichen Ergebnisse wie mit.  reinen Platinauflagen erzielt man gemäss wei  teren     ALisführungsmöglichkeiten    des Verfah  rens mit entsprechenden     Palladiumauflagen     oder mit Auflagen, welche aus einem Gemisch  von Platin und Palladium bestehen. Als be  sonders zweckmässig erweist es sich jedoch,  der     Aktivierungssehieht    ausser einem oder  mehreren Metallen der     Platinmetallgruppe          (Pt,        Rli,        Pd,    Os, Ir) zusätzlich noch kleine  Mengen von Gold einzuverleiben;     hierdurch     wird die Schicht noch haltbarer und die  Wasserstoffüberspannung noch kleiner.

   Im  Rahmen des zuletzt     beschriebenen    Ausfüh  rungsbeispiels genügt es hierfür, dem     Platin-          oder        Palladiumchlorid        etwa        10        bis        30        %        Gold-          chlorid    zuzugeben, um die entstehende Schicht  mit Goldatomen zu durchsetzen.  



  Das beschriebene Verfahren eignet. sieh  besonders für     Druckelektroly        seure,    das heisst  für     elektrolytische        Wasserzersetzer,    welche bei  einem Gasdruck von mehr als 5     Atm.,    vor  zugsweise bei einem Druck von ?0 bis 50     Atm.,     betrieben werden. Bei diesen Drücken wird  nämlich das Volumen der aufsteigenden Gas  blasen so klein, dass die Blasen mit. dem Elek  trolyt eine milchige, langsam nach oben strö  mende Emulsion bilden, welche keinerlei     Ero-          sionswirkung    mehr auf die Kathodenflächen  ausübt.

   Auch schwammige Platinmohr-     bzw.          Palladiummohrschiehten    bleiben unter diesen  Betriebsverhältnissen jahrelang unverändert  und voll aktiv, so dass man bei normaler      Flächenbelastung (10 bis 15     Amp./dm")    eine  dauernd konstante     Zellenspannung    von etwa  1,70 bis 1,75 Volt erhält.



  Process for the production of a noble metal layer on iron cathodes of electrolytic water decomposers and iron cathodes with a noble metal layer produced according to the process Decompose water with economical power consumption an energy consumption of 5.2 to 5,

  4 kWh per Nni3 produced hydrogen results; Since the overvoltage slowly increases in continuous operation, the practical production often results in values of 5.6 kWh / Nni3 hydrogen and more.



  It has already been proposed that the cathode surfaces of electrolytic water decompose by mechanical or electrolytic roughening or by applying chrome, tautal or sponge iron sheets to be activated so that the hydrogen overvoltage is noticeably reduced. However, all these activation layers only have their effect for a short time, so that the usual overvoltage values are set again after a few days, but at the latest after a few weeks.



  It is known from the laboratory that there is no hydrogen overvoltage on platinum-coated platinum, i.e. on massive platinum cathodes coated with platinum black. But the cathodes of industrial electrolytic water decomposers, which often have a surface area of several hundred square meters, do Use of platinum sheet is of course out of the question;

   Over this, the development of the grass with the technically common water decomposers that work under atmospheric pressure and normally loaded with around 10 Amp.Idm2 is so stormy that a normal platinum black layer would be washed away from the cathodes in a short time.



  It has now been found that the application of thin noble metal strips to iron surfaces leads to a cathode which has a greatly reduced hydrogen overvoltage. As precious metals, platinum and palladium are primarily considered, and editions of less than 10 g / m2 are sufficient to achieve activation that is effective for a long time. This results in particularly active and nonetheless mechanically resistant layers if these layers are deposited on the cathode surfaces from an aqueous noble metal salt solution of very low concentration.

   Solutions with less than 5 g, preferably even with only 0.1 to 0.5 g of precious metal per liter, have proven particularly useful here.



  Accordingly, the method according to the invention for producing an overvoltage-reducing noble metal layer on iron cathodes of electrolytic NV water separators consists in depositing the noble metal layer from an aqueous noble metal salt solution which contains less than 5 g of at least one precious metal per liter.



  In addition to this method, the patent relates to an iron cathode according to the invention of an electrolytic water decomposer, with a noble metal layer which reduces the overvoltage and which is produced according to the method according to the invention.



  In the following, exemplary embodiments of the method according to the invention are described in more detail.



  According to a first exemplary embodiment, the noble metal layer is produced in that a few liters of an alkaline platinum salt solution are pumped into the fully assembled water decomposer filled with electrolyte, the concentration of which is such that in the water decomposer a concentration of less than 0.2 g platinum per Liter of electrolyte is produced. Even with very large water decomposers with many cubic meters of electrolyte, a few grams of platinum are sufficient for this.

   If the current is switched on, the platinum is deposited in a very thin layer on the cathode surfaces and suddenly reduces the hydrogen overvoltage by several tenths of a volt. The achieved lowering of the operating voltage of the water disintegrator lasts for weeks and can later be regained repeatedly by turning off the power to the door for a few hours.



  It has been shown to be even more favorable to de cap the individual cathodes, according to a second embodiment, before installation and then to activate them in an aqueous bath which contains the precious metals in the form of dissolved chlorides; For this purpose, the perforated sheets or metal mesh used as electrodes are poured with the solution in a shallow dish and then agitated in the solution for a few minutes. The precious metals then deposit directly on the iron surface through ion exchange without the action of an external voltage source . Here they migrate into the crystal lattice of iron, with one iron atom going into solution for each noble metal atom that is deposited.

   If the aqueous chloride solution with about 0.5 g of platinum per liter is made up in distilled water, a firmly adhering platinum black layer of high and very constant activity is formed on a platinum base layer firmly grown with the base metal. The amount of platinum applied is much higher than in the exemplary embodiment described above; In this case, however, it remains below 10 g of platinum per m2 of cathode area.



  Almost the same results as with. Pure platinum layers are achieved in accordance with further options of the process with corresponding palladium layers or with layers consisting of a mixture of platinum and palladium. However, it proves to be particularly expedient to incorporate small amounts of gold in addition to one or more metals of the platinum metal group (Pt, Rli, Pd, Os, Ir) in the activation layer; this makes the layer even more durable and the hydrogen overvoltage even smaller.

   In the last-described exemplary embodiment, it is sufficient to add about 10 to 30% gold chloride to the platinum or palladium chloride in order to penetrate the resulting layer with gold atoms.



  The method described is suitable. See especially for pressure electrolyzers, that is to say for electrolytic water decomposers, which are operated at a gas pressure of more than 5 atm., preferably at a pressure of? 0 to 50 atm. At these pressures namely the volume of the rising gas bubbles is so small that the bubbles with it. The electrolyte forms a milky, slowly upward-flowing emulsion which no longer has any erosive effect on the cathode surfaces.

   Even spongy platinum black or palladium black remains unchanged and fully active for years under these operating conditions, so that a constant cell voltage of about 1.70 to 1.75 volts is obtained with normal wing loading (10 to 15 Amp./dm ").

 

Claims (1)

PATENT ANSPRÜCHE I. Verfahren zur Herstellung einer die Überspannung herabsetzenden Edelmetall- scliicht auf Eisenkathoden elektrolytischer Wasserzersetzer, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallschicht aus einer wässerigen Edelmetallsalzlösung, welche weniger als 5 g wenigstens eines Edelmetalles pro Liter ent hält, niedergeschlagen wird. PATENT CLAIMS I. A process for the production of a noble metal which reduces the overvoltage on iron cathodes of electrolytic water decomposers, characterized in that the noble metal layer is deposited from an aqueous noble metal salt solution which contains less than 5 g of at least one noble metal per liter. II. Eisenkathode eines elektrolytischen Wasserzersetzers, mit einer die Überspannung herabsetzenden Edelmetal'lschicht, hergestellt nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch I. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Schicht aus einer Lösung niedergeschlagen wird, welche pro Liter etwa 0,1 bis 0;5 g wenigstens eines Eclelmetalles enthält. II. Iron cathode of an electrolytic water decomposer, with a noble metal layer which reduces the overvoltage, produced according to the method according to patent claim I. SUBClaims 1. Method according to patent claim I, characterized in that the layer is deposited from a solution which is about 0 per liter , 1 to 0.5 g contains at least one Eclelmetalles. \?. Verfahren nach Patentanspruch I, zur Herstellung einer Edelmetallschicht auf Eisenkathoden von Druckelektrolyseuren zur Wasserzersetzung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Edelmetallschicht von weniger als 10 g wenigstens eines Edelmetalles pro Quadratmeter Kathodenfläche niedergeschla- ä'en wird. 3. \ ?. Method according to claim 1, for producing a noble metal layer on iron cathodes of pressure electrolysers for water decomposition, characterized in that a noble metal layer of less than 10 g of at least one noble metal per square meter of cathode surface is deposited. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1', da durch gekennzeichnet, dass der fertig mon tierte und mit Elektrolyt gefüllte elektro lytische Wasserzersetzer mit einer konzen trierten alkalischen Lösung wenigstens eines Edelmetallsalzes in solcher Menge beschickt wird, dass die entstehende Mischung von Lösung und Elektrolyt pro Liter weniger als 0,2 g Metall enthält, und dass danach das Edelmetall auf den Elektrodenflächen elek trolytisch abgeschieden wird. 4. Method according to claim 1 ', characterized in that the fully assembled and electrolyte-filled electrolyte water decomposer is charged with a concentrated alkaline solution of at least one noble metal salt in such an amount that the resulting mixture of solution and electrolyte per liter is less than 0 , Contains 2 g of metal, and that the noble metal is then electrolytically deposited on the electrode surfaces. 4th Verfahren nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Kathoden vor der Montage des elektrolytischen Wasserzer- setzers dekapiert werden und die Edelmetall schicht aus einem wässerigen Bad niederge schlagen wird, welches wenigstens ein Edel metall in Gestalt von gelösten Chloriden ent hält, so dass sich das Edelmetall durch Ionen austausch, auf der Eisenoberfläche nieder schlägt. 5. Verfahren nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass die Edelmetall schicht aus einem Bad niedergeschlagen wird, welches das Chlorid eines Platinmetalles ent hält. 6. A method according to claim I, characterized in that the cathodes are removed before the assembly of the electrolytic water decomposer and the noble metal layer is precipitated from an aqueous bath containing at least one noble metal in the form of dissolved chlorides, so that the precious metal is deposited on the iron surface through ion exchange. 5. The method according to dependent claim 4, characterized in that the noble metal layer is deposited from a bath which holds the chloride of a platinum metal ent. 6th Verfahren nach Unteranspruch 5, da durch gekennzeichnet, dass die Edelmetall schicht aus einem Bad niedergeschlagen wird, welches das Chlorid eines Platinmeta'lles in Mischung mit Goldchlorid enthält. Method according to dependent claim 5, characterized in that the noble metal layer is deposited from a bath which contains the chloride of a platinum metal mixed with gold chloride.
CH331841D 1955-04-01 1955-04-01 Process for producing a noble metal layer on iron cathodes of electrolytic water decomposers and iron cathodes with a noble metal layer produced by the process CH331841A (en)

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