DE1948181A1 - Widerstandsfaehige Elektrode - Google Patents

Widerstandsfaehige Elektrode

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DE1948181A1
DE1948181A1 DE19691948181 DE1948181A DE1948181A1 DE 1948181 A1 DE1948181 A1 DE 1948181A1 DE 19691948181 DE19691948181 DE 19691948181 DE 1948181 A DE1948181 A DE 1948181A DE 1948181 A1 DE1948181 A1 DE 1948181A1
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DE
Germany
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zirconium
carrier metal
metals
zirconium carbide
carbide
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Application number
DE19691948181
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English (en)
Inventor
Alfred Dr Schmidt
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Huels AG
Original Assignee
Chemische Werke Huels AG
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/075Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound

Description

  • Widerstandsfähige elektrode Die Irfindung betrifft eine Elektrode, die als Anode zur Durchführung von Elektrolysen geeignet ist, mit Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle als Trägermetall und einer gegenüber den Elektrolyten und den an der Elektrode entbundenen Verbindungen widerstandsfähigen Deckschicht.
  • Elektroden aus den benannten, als Trägermetalle bezeichneten Iletalien überziehen sich bei der Verwendung als Anoden sofort mit einer Oxidhaut, die den weiteren Stromdurchgang verhindert. Man kann diese Passivierung der Oberfläche des Trägerm@talls dadurch vermeiden, daß man sie mit einer ditnnen Schicht solcher elektrisch leitender MetaLle oder Metallverbindungen iibprzleht, die gegenUber dem korrodierenden Einfluß des3 Elektrolyten und den an der Elektrode entbundenen Verbindungen widerstandsfähig sind und keine derartige Sperrhaut bilden.
  • So ist es bekannt, das Trägermetall, auf dem sein Oxid als dünne Sperrhaut ausgebildet ist, mit einer porösen Deckschicht eines Edelmetalls oder der MIschung verschiedener Edelmetalle (z.i3. IXLatin, Iridium, Ruthenlum) zu überziehen (deutsche Patentschrift 1 115 721 der Amalgamated Curacao Patents Company; deutsche Auslegeschrift 1 105 395 der Farbwerke Hoechst AG).
  • nie Elektroden haben aber den Nachteil, daß die Edelmetallüberzüge - wenn auch langsam - verbraucht werden; insbesondere werden sie bei der Berührung mit Amalgamen in Amalgamzellen schnell abgelöst. Dabei gehen die relativ teuren Edelmetalle verloren.
  • Diese Nachteile sollen durch den Erfindungsgegenstand des in der Südafrikanischen Republik erteilten Patentes 662 667 dadurch vermieden werden, daß anstelle der Platinmetalle deren Oxide eventuell in Mischung mit einem Oxid oder mit Oxiden von Mangan, Blei,Chrom, Kobalt, Eisen, Titan, Tantal, Zirkon und SILicium als Überzug fiir das Trägermetall verwendet werden.
  • Nach der deutschen Offenlegungsschrift 1 421 047 der Amalgamated Curacao Patents Company werden Elektroden aus Titan, Chrom, Niob oder Legierungen dieser Metalle eingesetzt, die wenigstens auf ihrer ganzen Oberfläche mit einer Nitridschicht des betreffenden Metalles versehen sind.
  • Nach der luxemburgischen Patentschrift 55 422 und der äquivalenten niederländischen Offenlegungsschrift 6 801 882 wird die Oberfläche eines Trägermetalles mit einer Deckschicht au Mischungen von Oxiden solcher Metalle, die beim Stromdurchgang eine Oxidschicht bilden (z.B. Aluminium Tantal, Titan, Zirkon, Niob, Wismut, Wolfram) und mit einem elektrisch leitenden Metall oder einer Metaliverbindung, die beim Stromdurchgang keine derartigen Schutzachichten bilden, z.B. alle Platinmetalle, Silber, Gold, ferner Eisen, Nickel, Chrom, Blei, Kupfer, Mangan und ihre Oxide, Nitride, Carbide und Sulfide, versehen.
  • Als zu der letzten Gruppe zugehörig wird noch Grafit genannt.
  • Aufgabe der Erfindung war es, einem Deckschicht zu finden, durch die die benannten TrRgermetalle besonders vorteilhaft vor der Tassivierung geschützt werden können.
  • Es wurde eine Elektrode gefunden, die als Anode zur DurchfUhrung von Elektrolysen geeignet ist, mit Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Aluminium oder Legierungen dieser Metalle als Tragermetall und einer gegenüber den Elektrolyten und den an der Elektrode entbundenen Verbindungen widerstandsfähigen Deckschicht, wobei die Deckschicht aus-Zirkoncarbid besteht.
  • Es ist zwar bekannt (französische Patentschrift 1 456 504 der Licentia-Patent Verwaltungsgesellschaft), mit Carbiden der Übergangsmetalle der Gruppen IV b bis VIII des Periodensystems überzogene Formkörper als Elektroden in Brennstoffzellen einzusetzen. Diese Elektroden unterscheiden sich aber grundsätzlich von den mit Zirkoncarbid überzogenen Elektroden, diè Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sind. Bei dem Einsatz in Brennstoffzellen ist es wichtig, Möglichst großoberflächige, poröse, hochaktive@Elektroden herzustellen, um die verwendeten Brennstoffe schnell an ihrer Oberfläche umzusetzen. Demzufolgesind auch Art und Herstellungsverfahren dieser Elektroden anderes. Während bei den erfindungsgemäßen Elektroden Platton, Rohre, Drähte und andere Elektrodenkörper aus dichtem passiven Trägermetall mit Überzügen von Zirkoncarbid versehen werden, werden bei den bekannten Brennstoffzellen-Elektroden aus Pulvern von elektrischen Leitern, elektrischen Halbleitern oder auch elektrischen Nichtleitern durch Pressen, Sintern oder ähnliche Arbeitsvorgänge hochporöse, großoberflächi ge Formkörper hergestellt, auf deren Oberfläche dann in geeigneten Weise die aktiven Carbid aufgebracht werden. Mans kann den genannten Pulvern auch vor der Herstellung der Formkörper Metallpulver der gewünschten Übergangsmetalle zumischen, die porösen Formlinge herstellen und die Übergangsmetall@ dann in geeigneter Weise in die gewünschten Carbide, Boride, Nitride bzw. Silicide überführen.
  • Während bei diesen Elektroden als Träger für die Aufbringung der aktiven Verbindungen der Übergangsmetalle belicbig elektrische Leiter, Halbleiter oder auch Nichtleiter verwendet werden können, ist es bei den erfindungsgemäßen Elektroden nur möglich, als Träger die Metalle Aluminium, Titan, Tantal, Niob, Zirkon oder Legierungen dieser Metalle zu verwenden. Es war bei der Verwendung des Zirkoncarbids als Deckschicht für Anoden, an deren Oberfläche hochaggressive Stoffe wie Chlor, Sauerstoff u.a. entbunden werden, nicht vorauszusehen, daß sie diesen starken Belastungen standhalten würde, da sie beim Einsatz in Brennstoffzellen nur einem relativ geringen, durch den plI-Wert des Elektrolyten bedingten Angriff ausgesetzt ist.
  • Weiterhin wird in der luxemburgischen Patentschrift 55 422 vorgesehen, ebenfalls Carbide als beständige elektrische Leiter, die keine Oxidhaut bilden, in Mischung mit Oxiden solcher Metalle, die beim Stromdurchgang eine Oxidschicht bilden, zu verwenden.
  • Hingegen wird bei den erfindungsgemäßen Elektroden die Trägerelektrode nur mit reinem Zirkoncarbid überzogen. Die gemäß der luxemburgischen Patentschrift eingesetzten Carbide sind solche von nicht filmbildenden, d.h. keine Sperrschicht ausbildenden Metallen; das erfindungsgemäß verwendete Zirkoncarbid ist das (,arbtd eines filmbildenden Metalles. Im folgenden soll gezeigt werden, daß aber auch die Carbide der filmbildenden Metalle sich gegenüber den an den Elektroden entbundenen Stoffen, insbesondere gegen Chlor, vollständig verschieden verhalten.
  • 10 g Wolframcarbidpulver in einer Korngröße von etwa 40 µ werden in 1,3 1 Natriumchloridsole von 275 g NaCl/1 suspendiert (pH = 2) und bei 70 °C etwa 100 Std. unter Einleiten von Chlor behandelt. Der Gewichtsverlust beträgt 26,7 . Die gleiche Probe wird dann weitere 100 Std. den gleichen Bedingungen ausgesetzt. Der Gewichtsverlust beträgt dann nochmals 35,4 %.
  • IPnn man Zirkoncarbid derselben Behandlung unterzieht, so ist sowohl bei der ersten wie bei der zweiten Behandlung ein Gewichtsverlust nicht feststellbar. Es war demnach aus der Angabe der luxemburgischen Patentschrift 55 42?, Carbide in Mischung mit Oxiden zu verwenden, nicht vorauszusehen, daß das Zirkoncarbid der starken Korrosionsbelastung standhalten wUrde.
  • Ferner war nicht vorauszusehen, daß es möglich ist, das Zirkoncarbid so auf die Flächen der Trägermetalle aufzubringen, daß ein ausrciehender elektrischer Kontakt hergestellt und die Passivierung der Trägermetalloberflachen durch elektrolytisch @ntbundenen Sauerstoff verhindert wird.
  • Als Trägermetalle für die Elektroden werden Titan, Tantal, Zirkon, Niob, Aluminium und Legierungen dieser Metalle verw@ndet.
  • A=ig diese Trägermetalle wird eine Deckschicht von Zirkonoarbid aufgebracht. Zur Erzielung der geforderten Widerstandsfähigkeit reicht brrits eine relativ dünne Schicht von ca. 2 aus.
  • @an kann die Flächen der Trägermetalle auf verschiedene Weise mit Zirkoncarbid überzichen. So kann man, soweit man nicht direkt Zirkon als Trägermetall verwendet, diese Flächen z.B.
  • mit Zirkonmetall durch Aufdampfen, Plattieren oder durch Elektrolyse überziehen und dann den ZirkonUberzug nachträglich durch geeignete Behandlung, beispielsweise mit Kohlenwasserstoffen wie Methan, Propan, Naphthalin-usw, ganz oder auch nur in der Oberflächenschicht in das Carbid überführen.
  • Man kann auch das Zirkoncarbid in einem geeigneten flüssigen Medium, wie Äthylenglykol, Äthylalkohol, Propylalkohol usw., in feiner Verteilung suspendieren und auf den Flächen des Trägermetalls durch Elektrophorese niederschkn. Man kann diese Suspensionen auch rein mechanisch durch Aufstreichen, Aufsprühen und ähnliche Verfahren auf die sorgfältig gereinigten Flächen des Trägermetalls aufbringen und nach dem Abdampfen der Pliissigkeit durch Pressen, Walzen, Sintern und ähnliche Verfahren das Zirkoncarbid fest mit der Trägermetallfläche verbinden.
  • Um eine noch bessere Haftung des Überzugea zu erreichen, kann marl auch vorher auf der Oberfläche des gereinigten Trägermetalls in bekannter Weise eine ganz dünne Oxidschicht herstellen, in der slch dann bei den oben genannten Operationen der Überzug fest verankern kann.
  • Dif! beanspruchten Elektroden sind besonders zum Einsatz als Anoden bei der Chloralkali-Elektrolyse nach dem Amalgam- und Diaphragmen-Verfahren, bei der elektrolytischen Herstellung von Chloraten, Hypochloriten, Persulfaten und anderen elektrochemischen Prozessen geeignet.
  • Beispiel 1 1, 5 min starkes Titanblech mit den Abmessungen 30 x 100 mm wird mit einem Chlorkohlenwasserstoff (Methylenchlorid, Trichloräthylen) gründlich entfettet und darauf die Oxidschicht mit einer etwa 5 bis 10 %igon Salzsäure oder Salpetersäure entfernt.
  • Nach gründlichem Waschen mit reinem Wasser und Trockneii bei Temperaturen von 50 bis 60 0C wird auf die so vorbehandelte Fläche eine Suspension von 1 g Zirkoncarbid (ZrC; Korngröße < 10 µ) in 10 cm@ Äthylenglykol aufgetragen. Danach wird das Blech im Kohlenwasserstoffstrom (Methan, Propan) auf Temperaturen von 400 bis 700 °C erhitzt.
  • Beispiel 2 Ein wie in-Beispiel 1 vorbehandeltes Titanblech wird vor dem Auftragen der Zirkoncarbid-Suspension durch kurzzeitiges Erhitzen auf etwa 500 °C mit einer dünnen Titanoxidhaut überzogen.
  • Beispiel 3 Ein Zirkonblech mit den Abmessungen des Beispiels 1 wird durch geeignete mechanische Behandlung (z.B. mit Schmirgelpapier) stark aufgerauht.
  • Nach dm Entfetten und Beizen wird das Zirkonblech durch kurzzeitige Behandlung mit einem Kohlenwasserstoff (Methan, Naphthaiin) bei Temperaturen zwischen1200 bis 2000 0C an der Oberfläche mit einer dünnen Zirkoncarbidschicht überzogen.

Claims (4)

Patentansprüche
1. Elektrode, die als Anode zur Durchführung von Elektrolysen geeignet ist, mit Titan, tantal, Zirkon, Niob, Aluminium oder legrerungen dieser Metalle als Trägermetall und einer gegenüber den Elektrolyten und den an der Elektrode entbundenen Verbindungen widerstandsfähige Deckschicht, d a d u r e h g e -k e fl fl z c i c h n e t , daß die Deckschicht aus Zirkoncarbid besteht.
2, Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägermetall durch Aufdampfen, Plattieren oder durch Elektrolyse mit einem dünnen Uberzug von Zirkon versehen wird und dieser Ueberzug dann durch nachträgliche Behandlung mit Kohlen-Stoff oder kohlenstoffhaltigen Verbindungen ganz oder'nur in der Oberflächenschicht in das Ziriconcarbid übergeführt Wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g g e k e n n z e 1 e h n e t , daß das Zirkoncarbid aus einer Suspension oder aus einem Sol in geeigneten Flüssigkeiten mechanisch durch Aufdüsen, Aufstreichen oder ähnliche Operationen oder durch Elektrophorese auf das Trägermetall aufgebracht und nach Verdampfen der Flüssigkeit durch Fressen, Walzen und/oder thermisch durch Sintern mit der Oberfläche des Trägermetalls fest verbunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an der Oberfläche des Trägermetalles vor Aufbringen der Deckschicht eine dünne Oxidhaut erzeugt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2244040A1 (de) * 1971-09-07 1973-03-29 Aluminum Co Of America Elektrodenanordnung fuer elektrolytische zellen
FR2428684A1 (fr) * 1978-06-13 1980-01-11 Engelhard Min & Chem Electrodes destinees a etre utilisees dans un procede electrolytique

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2244040A1 (de) * 1971-09-07 1973-03-29 Aluminum Co Of America Elektrodenanordnung fuer elektrolytische zellen
FR2428684A1 (fr) * 1978-06-13 1980-01-11 Engelhard Min & Chem Electrodes destinees a etre utilisees dans un procede electrolytique

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