DE1796043A1 - Hochaktive Katalysatorelektrode zur anodischen Oxydation von fluessigen,im Elektrolyten von Brennstoffelementen geloesten Brennstoffen - Google Patents

Hochaktive Katalysatorelektrode zur anodischen Oxydation von fluessigen,im Elektrolyten von Brennstoffelementen geloesten Brennstoffen

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DE1796043A1
DE1796043A1 DE19681796043 DE1796043A DE1796043A1 DE 1796043 A1 DE1796043 A1 DE 1796043A1 DE 19681796043 DE19681796043 DE 19681796043 DE 1796043 A DE1796043 A DE 1796043A DE 1796043 A1 DE1796043 A1 DE 1796043A1
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raney nickel
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electrolyte
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Hans Kohlmueller
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/98Raney-type electrodes
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Description

  • Hochaktive Katalysatorelektrode zur anodischen Oxidation von flüssigen,-im Elektrolyten von Brennstoffelementen gelösten Brennstoffen Die Erfindung betrifft eine hochaktive Katalysatorelektrode zur anodischen Oxidation von flüssigen, im Elektrolyten gelösten Brennstoffen, insbesondere Hydrazin, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
  • Im Elektrolyten gelöste Brennstoffe werden in Brennstoffelementen an Anoden umgesetzt, die meistens aus einem porösen oder nichtporösen Trägermaterial bestehen und mindestens auf einer Seite nit Edelmetallen aktiviert sind. So ist in Blectrochemical Technology, 1965, Seite 129 ein Hydrazin--Luft-Brenastoffelenrent beschrieben, in welchem als Anode eine mit Palladium aktivierte, gesinterte Platte aus Carbonylnickel eingesetzt ist.
  • A.as "Soviet Electrochemistry", Bd.3 (1967), Seite 5 ist weiterhin eine Kohleelektrode für mit Hydrazin betriebene Brennstoffelemente bekannt, auf deren Oberfläche sich als Katalysator Platin befindet. Es hat sich nun gezeigt, daß bei der Abscheidung von-Edelmetallenauf Trägermaterialien, insbesondere von Platin auf Nickelnetzen, nach den bekannten Verfahren in vielen Fällen nur eine geringe Haftfestigkeit erreicht wird. So wurde beobachtet, daL3 sich das Platin während des elektrochemischen Umsatzes teilweise von dem Trägermaterial ablöst und durch den dadurch bedingten schlechten Kontakt der ohmsche Widerstand der Elektrode erhöht wird. Auch wurde festgestellt, daß auf Nickelnetzen abgeschiedenes Platin nur eine geringe spezifische Oberfläche aufweist. Ähnliche Verhältnisse wurden bei der Abscheidung von Rhodium auf Nickelnetzen beobachtet. Außerdem sind Edelmetalle wegen ihrer geringen spezifischen Oberfläche leichter zu vergiften.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, eine Katalysatorelektrode zu finden, die sowohl eine hohe Aktivität als auch eine gute Haftfestigkeit auf dem Trägermaterial besitzt.
  • Die neue Katalysätorelektrode ist dadurch .gekennzeichnet, daß sie aus einem elektronisch leitenden Trägermaterial besteht, auf dessen Oberfläche sich zunächst eine Raney-Nickel-Schicht und,anschließend eine Edelmetall-Katalysatorschicht befindet.
  • Es ist zwar bereits bekannt, Raney-Metalle in Elektroden von Brennstoffelementen mit flüssigen, im .Elektrolyten gelösten Brennstoffen zu verwenden, jedoch war nicht voraussehbar, daß sie bei Anwendung als Katalysatorträger die Eigenschaften von Edelmetallen, insbesondere eines Palladium-Ruthenium-Gemigehes, derart günstig beeinflussen. Raney-Katalysatoren zeichnen sich durch ein günstiges Ruhepotential und hohe katalytische Aktivität aus, sind jedoch gegen zu hohe Überspannungen und gegen Sauerstoff sehr empfindlich, so daß an ihrer Stelle oft die unempfindlicheren Edelmetalikatalysatoren eingesetzt werden.
  • Als Katalysatoren können sowohl die Edelmetalle Platin, Iridium, Ruthenium, Rhodium, Palladium und Osmium als-auch deren Gemische auf Raney-Nickel aufgetragen werden. Als.besonders geeignet erwiesen sich Mischungen aus 10 bis 30 Gew.-% Ruthenium und 90 bis 70 Gew.-% Palladium.
  • Die Herstellung der neuen Elektrode erfolgt am besten in der Weise, daL1 die Raney-Nickel-Legierung zunächst auf 'einem elektronisch leitenden Träger, beispielsweise einem Netz oder einer Platte aus Kohle, Graphit oder Metallen, insbesondere Nickel und Y2A-Stahl, elektrolytisch abgeschieden wird. Als Ausgangslösung werden hierbei Mischungen aus Nickel-. und Zinksalzlösungen verwendet. Besonders gute Haftfestigkeiten werden auf Nickelnetzen dann erzielt, wenn das galvanische Bad aus 10 Gew.-% NiS04, 3 % ZnS04 und 10 % Na (CH 3000) besteht und'die Abscheidung-innerhalb von 10 MinuMen bei einer Stromdichte von 50 mA,/cm 2 und 600 C durchgeführt wird. Pe$thaftende Raney-Legierungsschichten konnten aber auch aus einem Galvanieierbad, das aus 5 Gew.-9i NiS04, 5 Gew.-% Zn904, 3 Gew.-% NH4C1 und 10 Gew.-%"NH40H bestand, bei 20 o 0 abgeschieden werden. Die Stromdichte betrug in diesem Beispiel ebenfalls 50 mAicm2.
  • Die Zusammensetzung des Galvanisierbades sowie die Abscheidungsbedingungen sind selbstverständlich nicht auf die.beispielhaften Angaben beschränkt; so kann die Abscheidung auch bei Stromdichten von 10 bis 200 mA/em2'vorgenommen werden. Auch kann die Ranex-Legierung nach anderen bekannten Verfahren auf das elektrisch leitende Trägermaterial aufgebracht werden, z.B. mittels eines Bedampfungs- oder Plammsprühverfahrens, wobei die Haftfestigkeit noch durch eine. nachträgliche Tempe'rung in einer Sehutzgasatmosphäre, wie Stickstoff, .bei 300 bis 700o C erhöht werden kann. In den meisten Fällen wird jedoch die Haftfestigkeit so groß sein, daß eine derartige Nachbehandlung nicht erforderlich ist.
  • Die Aktivierung der aufgebrachten Raney-Legierung geschieht in an sich bekannter Weise durch Einbringen in eine wässrige Alkalimetalloaidlösung, z.B. 6 m KOH.
  • Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Zdelmetallkatalysatoren stromlör abgeschieden. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, bei dem Äktivierungaprozeß nur soviel von der inaktiven Komponente der Raney-Legierung herauszulösen, daß für die-anschließende $delnetallab$cheidung noch eine äquivalente Menge zur Verfügung steht.
  • Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann jedoch auch der im Raney-Nickel gespeicherte Wasserstoff oder das Raney-Nickel selbst zur stromlosen Edelmetallabseheidung herangezogen werden: Die Edelmetallabseheidung kann - wie die Abecheidung der Mney-Legierung - auch elektrolytisch erfolgen. Da die spezifische Oberfläche der nach der Erfindung auf. Raney-Nickel abgeschiedenen Edelmetalle sehr groß ist, erhält man auch bei sehr geringen Edelmetallmengen eine hohe katalytische Aktivität. So wurden in Lösungen aus 6 m KOH und 0,5 m Hydrazin bei 20c C noch.mit 1 mg einer Falladium-Ruthenium-Mischung pro cm 2 ausgezeichnete Strom-Spannungs-Kurven erhalten.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Raney-Nickel auch unmittelbar auf das Trägelmaterial aufgebracht werden, und zwar derart, daß man die Netze oder Platten zunächst in einegeeignete Klebstofflösung, z.B. eine Dispersion von Polytetrafluoräthylen taucht und anschließend mit aktivem-oder stabilisierten Raney-Nickelpulver beschichtet. Anstelle von Raney-Nickel kann auch Raney-Kobalt verwendet werden, doch wurden mit dem zuletzt genannten Metall in allen Fällen schlechtere Ergebnisse erzielt.
  • Anhand der beiliegenden Figuren 1 bis 5 wird nun der Gegenstand der Erfindung noch näher .erläutert.
  • Fig. 1 zeigt die in einer Halbzelle an Elektroden nach der Erfindung aufgenommenen Strom-Spannungs-Kurven.-Als Bezugselektrode. diente hierbei - sowie in allen nachfolgenden Beispielen - eine Hg/Hg0-Elektrode. Als Elektrolyt wurde eine 6 m KOH-Lösung; der 0,5 m Hydrazin zugemischt worden-sind, verwendet. Die Katalysatorelektrode bestand jeweils aus einem Nickelnetz, auf das die Raney-Legierung galvanisch aus einer Lösung ,von 10 9i NiS04, 3 % Zn304 und 10 % Na(CH3C00) bei 600 0 und 50 MA/cm 2 abgeschieden worden war. Der Edelmetallgehalt der Katalysatorelektroden betrug in den angegebenen Beispielen 1 mg/cm 2.
  • Die Abscheidung der Edelmetalle bzw. Edelmetallmischungen erfolgte entweder stromlos durch Eintauchen in ein Abscheidungebad oder elektrolytisch bei etwa 30 mA/cm2. Das Bad bestand bei der in Kurve 1 eingesetzten Elektrode aus 0,05 9G RhCl3 und 0,2 9G PdC12, bei der in Kurve 2 aus 0,03 9: IrC13 und 0,18 % PdC12, bei der in Kurve 3 aus 0,2 9G PdC12 und bei der in Kurve 4 aus, 0903 % RuCl3 und 0,15 9i PdC12.
  • In Pig. 2 sind die unter gleichen Bedingungen wie in Pig. 1 erhaltenen Ergebnisse von Vergleichsversuchen dargestellt, wobei die Kurve 5 der in Fig: 1 wiedergegebenen Kurve 4 entspricht. In Kurve 6 sind die Strom-Spannungswerte einer Elektrode aufgetragen, bei der die Ruthenium-Palladium-Nisehung unmittelbar auf dem Nickelnetz abgeschieden .worden ist. Aus den Kurven 5 und 6 ist zu ersehen, däß mit Hilfe einer Zwischenschicht aus Raney-Nickel die Aktivität von Edelmetallkatalysator-Nischungen erheblich verbessert wird.
  • Eigenartigerweise wurde nur solchen Elektroden, bei denen die auf Raney-Nickel aufgebrachte Katalysatorschicht lediglich aus Platin bestand, im Vergleich zur platinierten Netzelektrode nur eine geringe Aktivitätssteigerung erzielt. Dieses Ergebnis läßt verauten,*daß zwischen der Pd/Ru-Niechung und dem Üaney-Niekel noch andere Wechselwirkungen auftreten. Kurve 7 enthält die lleSwerte einer platinierten Nickelnetz-Slektrode. Bei der zur Aufnahme der Kurve 8 benutzten Elektrode befand sich zwischen Nickelnetz und abgeschiedenem Platin eine Zwischenschicht aus Raney-Nickel. In weiteren Versuchen wurde das Verhalten von erfindungsgemäß hergestellten Elektroden über längere Betriebszeiten untersucht und mit dem einer platinierten Nickelnetz-Elektrode verglichen. Die Versuchsergebnisse zeigt Pig. 4. Während das Potential von Elektroden mit einer Zwischenschicht aua Raney-Nickel Tiber einen Zeitraum von 7 Tagen nahezu konstant bleibt bzw. nur geringfügig positiviert wird, nimmt das Potential der platinierten Nickelnetz-Elektrode (Kurve 14) bereits nach 24 Stunden um etwa 155 mV zu. Bei Aufnahme der Kurve 11 war die Raney-Nickel-?wisehenschieht mit einer Mischung aus Palladium und Ruthenium (30), bei der Aufnahme der Kurve 12 mit Palladium und bei der Kurve 13 mit Platin beschichtet. Die Strombelastung betrug während den Messungen 30 mA%cm2.
  • Bei den in Fig. 5 wiedergegebenen Versuchsergebnissen wurde -eine mit Palladium/Ruthenium katalysierte Elektrode nach der Erfindung in einem Brennotoffelement getestet. Der-Elektrolyt bestand wie in den angeführten Beispielen ebenfalls aus b m KOH und 0,5 m N2H50H. Als Kathode diente eine Raney-Silber-. Pulverelektrode mit 400 mg Wcm2. Das gegen eine Hg/Hg0-Bezugselektrode gehee$ene Potential der Anode istin Kurve 15 und das der Kathode in Kurve 16 aufgetragen. Die Kurve 17 gibt die Zollspannung wieder, die bei 0,75 Y noch 100 mA/en 2 beträgt und damit um etwa 200 mY höher liegt als die unter gleichen Vereuchebedingungen mit einer Hetzelektrode ohne Raney-Nickel erhaltene Stromdichte. In Fig. 3 wird schließlich noch gezeigt, daß mit Elektroden nach der Erfindung auch gegenüber den bekannten Raney-Nickel-Elektroden ein erheblicher technischer Fortschritt erreicht wird, wobei die Kurve 10 wieder der Kurve 4 in Fig. ) entspricht und Kurve 9 mit einer Elektrode aufgenommen wurde, die mit einer Raney-Nickelschicht versehen war, also keine Edelmetalle enthielt.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Hochaktive Katalysatorelektrode zur anodischen Oxidation von flüssigen, im Elektrolyten gelösten Brennstoffen, insbesondere Hydrazin, dadurch gekennzeichnet, daß.sie aus einem elektronisch leitenden Trägermaterial besteht, auf dessen Oberfläche sich zunächst eine Raney-Nickel-Schicht und anschließend eine Edelmetall-Katalysator-Schicht befindet.
  2. 2. Katalysatorelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatorschicht aus@10 bis 30 9G Ruthenium und 90 bis 70 gi Palladium besteht.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung der Katalysatorelektrode nach densprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem elektronisch leitenden Trägermaterial eine Raney-Nickel-Schicht aufgebracht wird, auf die anschließend eine Edelmetall-Katalysatorschicht abgeschieden wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer wäserigen Lösung aus Nickel- und Zinkealzen eine Raney-Nickel-Legierung galvanisch auf dem Trägermaterial abgeschieden wird, aus der das Zink bei der anschließenden Aktivierung ganz oder teilweise herausgelöst wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Flazusprühen eine Raney-Nickel-Legierung auf dem Trägermaterial aufgebracht wird, aus der die inaktive Komponente bei der anschließenden Aktivierung ganz oder teilweise herausgelöst wird.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetalle oder deren Mischungen stroh- los abgeschieden-werden.
  7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetalle oder deren Mischungen galvanisch abgeschieden werden. B. Verfahren nach den Ansprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Raney-Nickel-Schicht ein Katalysatorgemisch aus 10 bis 30 % Ruthenium und 90 bis 70 % Palladium abgeschieden wird.
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