DE2027472B2 - Process for the production of a fuel catalyst from tungsten carbide for electrochemical fuel cells - Google Patents
Process for the production of a fuel catalyst from tungsten carbide for electrochemical fuel cellsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffkatalysators aus Wolframcarbid zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation von Wasserstoff, Formaldehyd oder Ameisensäure in elektrochemischen Brennstoffzellen, durch Carburierung von Wolfram oder Wolframoxid mittels Kohlenmonoxid.The invention relates to a method for producing a fuel catalyst from tungsten carbide for the direct generation of electrical energy through the oxidation of hydrogen, formaldehyde or Formic acid in electrochemical fuel cells, by carburizing tungsten or tungsten oxide by means of carbon monoxide.
Es sind Katalysatoren aus Wolframcarbid für die Umsetzung von billigen organischen Brennstoffen und/oder Wasserstoff bekannt (DE-OS 14 96 176; BE-PS 7 42 234; Nature 224 [1969J 1299-1300), doch sind die damit erzielbaren Stromdichten so gering, daß eine wirtschaftliche Verwendung dieser Stoffe nicht lohnend erscheint. Bei Verwendung der Brennstoffe Wasserstoff (H2), Formaldehyd (HCHO) und Ameisensäure (HCOOH) in Brennstoffzellen mit Schwefelsäure als Elektrolyt werden bei einem Potential von 250 mV und einer Temperatur von 70° C z. B. etwa die folgenden Stromdichten erzielt:Catalysts made of tungsten carbide for the conversion of cheap organic fuels and / or hydrogen are known (DE-OS 14 96 176; BE-PS 7 42 234; Nature 224 [1969J 1299-1300), but the current densities that can be achieved with them are so low that that an economical use of these substances does not appear worthwhile. When using the fuels hydrogen (H 2 ), formaldehyde (HCHO) and formic acid (HCOOH) in fuel cells with sulfuric acid as the electrolyte, at a potential of 250 mV and a temperature of 70 ° C z. B. achieved the following current densities:
bekannten, bei der Herstellung der Elektroden angewandten Verfahrenstechnik zu suchen, nach welcher z. B. Metall und Kohlenstoff zusammen bei Temperaturen von mindestens 600 bis 700° C gesintert werden oder die Elektroden nach einer Gasphasenreaktion und nach Abscheidung aus der Gasphase auf porösen Körpern nochmals einem Sinterprozeß bei Temperaturen von 600—7000C unterworfen werden. Alle diese Verfahren müssen zu verhältnismäßig inaktiven Stoffen führen, da bei den angewendeten Temperaturen ein großer Teil der aktiven Zentren an der Oberfläche desaktiviert wird und somit für die Katalyse nicht mehr zur Verfügung steht Es ist daher notwendig, auf diese Weise gewonnene Elektroden vor dem Gebrauch nochmals zu aktivieren, etwa durch anodische oder kathodische Strombelastung, wobei nicht umgesetzte metallische Bestandteile oder Oxidschichten aus der Elektrode herausgelöst und so neue aktive Zentren geschaffen werden.known process technology used in the manufacture of the electrodes to look for, according to which z. As metal and carbon are sintered together at temperatures of at least 600 to 700 ° C or the electrodes by a gas phase reaction and after deposition from the gas phase on porous bodies again subjected to a sintering process at temperatures of 600-700 0 C. All of these processes must lead to relatively inactive substances, since a large part of the active centers on the surface is deactivated at the temperatures used and are therefore no longer available for catalysis.It is therefore necessary to re-establish electrodes obtained in this way before use to be activated, for example by anodic or cathodic current load, whereby unreacted metallic components or oxide layers are released from the electrode and thus new active centers are created.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Elektroden für die elektrochemische Umsetzung billiger Brennstoffe (z. B. Formaldehyd oder Wasserstoff) zu schaffen, die so rentabel arbeiten, daß ihr Einsatz bei elektrochemischen Prozessen wirtschaftlich sinnvoll ist Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Elektroden zu schaffen, die außer Formaldehyd auch Ameisensäure in größerem Maße umsetzen. Dieses Ziel ergibt sich aus folgender Betrachtung: Die elektrochemische Oxydation von Formaldehyd in saurer LösungThe object of the present invention is to provide electrodes for the electrochemical conversion of cheaper fuels (e.g. formaldehyde or hydrogen) create that work so profitably that their use in electrochemical processes makes economic sense Another object of the present invention is to provide electrodes which, in addition to formaldehyde, also Implement formic acid to a greater extent. This goal results from the following consideration: The electrochemical Oxidation of formaldehyde in acidic solution
jo bis zum gasförmigen Endprodukt Kohlendioxyd CO2, das aus dem Elektrolyten entweicht, verläuft formal in zwei Stufen:jo to the gaseous end product carbon dioxide CO 2 , which escapes from the electrolyte, takes place in two stages:
HCOOH-^CO2 + 2H+ 2e"HCOOH- ^ CO 2 + 2H + 2e "
Angestrebt wird ein möglichst weitgehender Umsatz nach der sich aus der Summation der Gleichungen (1) und (2) ergebenden Gleichung (3):The aim is to achieve the greatest possible conversion according to the summation of equations (1) and (2) resulting equation (3):
HCHO + H,O-»CO, + 4H+ HCHO + H, O- »CO, + 4H +
Ein wesentlicher Grund für diese relativ geringen Stromdichten ist in der aus der Hartstofftechnologie da dieser Umsatz einmal die größte Stromausbeute ergibt, zum anderen aber auch verhindert, daß sich der Elektrolyt an Ameisensäure anreichert und ausgetauscht werden muß. Eine Parallelität in der Änderung der Aktivitäten der hier verwendeten Stoffe gegenüber Formaldehyd und Ameisensäure ist aber nicht vonA major reason for these relatively low current densities is from hard material technology because this conversion results in the greatest current yield, but also prevents the Electrolyte enriched in formic acid and must be replaced. A parallelism in the change the activities of the substances used here against formaldehyde and formic acid is not of
sn vornherein gegeben, wie dies bei Formaldehyd und Wasserstoff der Fall ist.sn is given in advance, as is the case with formaldehyde and hydrogen.
Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The stated objects are achieved according to the invention by a method having the characterizing features Features of the main claim.
■n Die Präparation der erfindungsgemäßen Elektroden wird unter Bedingungen durchgeführt, die eine große spezifische Oberfläche (> 1 mVg) sowie eine große Anzahl reaktiver Stellen zu erzeugen und vor allem zu erhalten vermögen. Insbesondere werden alle Prozesse■ n The preparation of the electrodes according to the invention is carried out under conditions that have a large specific surface (> 1 mVg) as well as to generate a large number of reactive points and, above all, to get fortune. In particular, all processes
bo bei möglichst niedriger Temperatur (nicht über 700° C) und/oder innerhalb möglichst kurzer Zeit ausgeführt. Nur eine der Ausgangskomponenten liegt als Feststoff die anderen dagegen liegen als Gase oder Flüssigkeiten mit niedrigem Siedepunkt vor; der Feststoff wirdbo at the lowest possible temperature (not above 700 ° C) and / or carried out within the shortest possible time. Only one of the starting components is a solid the others, on the other hand, are in the form of gases or liquids with a low boiling point; the solid becomes
b5 während des Herstellungsverfahrens gelöst und in feinkörniger, oberflächenreicher Form wieder ausgefällt und dann den noch zu beschreibenden speziellen Bedingungen unterworfen. Als Feststoffe könnenb5 solved during the manufacturing process and in fine-grained, surface-rich form precipitated again and then the special one still to be described Subject to conditions. As solids can
Metallpulver, gefällte Metallsäuren, Metalloxide, Metalloxidhydrate oder Metallhydride verwendet werden.Metal powder, precipitated metal acids, metal oxides, metal oxide hydrates or metal hydrides can be used.
Zur Erzielung einer hohen Ameisensäureaktivität kann die Elektrode in einem letzten Verfahrensschritt mit destilliertem Wasser oder mit einem Elektrolyt-Brennstoff-Gemisch durchfeuchtet werden, bevor sie mit dem Sauerstoff der Luft in Berührung kommtIn order to achieve a high formic acid activity, the electrode can be used in a final process step moistened with distilled water or with an electrolyte-fuel mixture before using comes into contact with the oxygen in the air
Im folgenden soll zunächst beschrieben werden, wie der feinkörnige, oberflächenreiche Feststoff hergestellt wird, der als Ausgangsmaterial für die in den Beispielen beschriebene weitere Verarbeitung dient: 50 g im Handel erhältliche Wolframsäure H2WO4 werden in der Wärme unter kräftigem Rühren in einer Mischung aus 100 ml 25%iger Ammoniumhydroxidlösung und 100 ml destilliertem Wasser gelöst Anschließend wird aus is dieser Wolframatlösung in der Kälte unter starkem Rühren mit konzentrierter Salzsäure (37%ige HCI) Wolframsäure ausgefällt Nach mehrmaligem Aufschlämmen mit destilliertem Wasser und Dekantieren wird die Säure zunächst in der Kälte im Vakuum getrocknet Man erhält die Wolframsäure als ein hellgelbes bis weißes Pulver, dem durch Erwärmen auf 2000C an Luft das gesamte Koordinations- bzw. Kristallwasser entzogen wird, wobei ein feinteiliges Wolframtrioxid, WO3, entstehtIn the following it will first be described how the fine-grained, surface-rich solid is produced, which is used as the starting material for the further processing described in the examples: 50 g of commercially available tungstic acid H 2 WO 4 are mixed in the heat with vigorous stirring 100 ml of 25% ammonium hydroxide solution and 100 ml of distilled water are then dissolved from this tungstate solution in the cold while stirring vigorously with concentrated hydrochloric acid (37% HCl) dried in vacuo to give the tungstic acid as a pale yellow to white powder, which is removed by heating at 200 0 C in air, the entire coordination or crystal water, whereby a fine-particle tungsten trioxide, WO3, formed
1. Beispiel1st example
10 g des nach obiger Vorschrift hergestellten Wolframtrioxids werden in einem Quarzrohr bei 700° C mit Kohlenmonoxid, CO, umgesetzt. Bei dieser Umsetzung, die nach 4—5 Stunden beendet ist, bildet sich Wolframcarbid, wobei sogar pyrophore Präparate entstehen können. Zur Messung der Wasserstoffaktivität werden 100—150 mg Wolframcarbidpulver in einen Graphitfilz eingeschlämmt und dieser in einen Elektro- ir> denhalter eingespannt Zur Messung der Aktivität gegenüber flüssigen und/oder im Elektrolyten löslichen Brennstoffen werden 0,966 g WC der Kornfraktion < 60 μιτι und 0,034 g Ammoniumcarbaminat derselben Korngröße als Porenbildner innig vermischt und in einer Form mit einem Druck von 18 t/cm2 zu einer Elektrode von 15 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke gepreßt. Der Porenbildner wird mit warmem Wasser herausgelöst und die Elektrode dann zur Stromableitung in einen Golddraht eingespannt10 g of the tungsten trioxide prepared according to the above procedure are reacted with carbon monoxide, CO, in a quartz tube at 700 ° C. During this reaction, which is complete after 4-5 hours, tungsten carbide is formed, which can even result in pyrophoric preparations. To measure the hydrogen activity 100-150 mg tungsten carbide powder can be slurried in a graphite felt and these are in an electric i r> denhalter clamped for measuring the activity against liquid and / or soluble in the electrolyte fuel μιτι 0.966 g WC grain fraction <60 and 0.034 g Ammonium carbamate of the same grain size as a pore former is intimately mixed and pressed in a mold with a pressure of 18 t / cm 2 to form an electrode 15 mm in diameter and 0.5 mm thick. The pore-forming agent is removed with warm water and the electrode is then clamped into a gold wire to conduct electricity
Die Messung der Aktivität erfolgt in der für diese Zwecke üblichen Halbzellenanordnung.The activity is measured in the half-cell arrangement customary for this purpose.
2. Beispiel2nd example
50 g des nach obiger Vorschrift hergestellten » Wolframtrioxids werden mit 150 g Zinkpulver (Korngröße <40um) 10 Minuten in einem Labormischer gemischt Diese Mischung wird in einen Porzellantiegel gestampft Als Oxydationsschutz wird das Gemisch mit einer 1,5 bis 2 cm dicken Zinkpulverschicht abgedeckt Die Mischung wird in einem Tiegelofen bei ca. 6000C zur Reaktion gebracht, worauf der Tiegel sofort aus dem Ofen genommen wird, so daß er an der Luft schnell abkühlt Nach dem Erkalten werden aus dem Wolfram-Zinkoxid· Regulus mit 6n-Sa!zsäure alle löslichen Bestandteile entfernt Sobald keine Gasentwicklung mehr zu beobachten ist, wird einige Male mit destilliertem Wasser dekantierend gewaschen und das so erhaltene äußerst feinteilige, oberflächenreiche Wolfram in der Kälte im Vakuum getrocknet 10 g dieses Wolframpulvers werden in einem Quarzrohr bei 7000C mit Kohlenmonoxid umgesetzt wie das in Beispiel 1 für das Wolf ramtrioxid beschrieben ist Auch hierbei können wiederum pyrophore Wolframcarbid-Präparate entstehen.50 g of the tungsten trioxide produced according to the above instructions are mixed with 150 g of zinc powder (grain size <40 μm) in a laboratory mixer for 10 minutes. This mixture is tamped into a porcelain crucible is made to react in a crucible furnace at approx. 600 ° C., after which the crucible is immediately taken out of the furnace so that it cools down quickly in the air Soluble constituents removed As soon as no more gas evolution can be observed, it is washed a few times with distilled water and the resulting extremely finely divided, surface-rich tungsten is dried in the cold in a vacuum. 10 g of this tungsten powder are reacted with carbon monoxide in a quartz tube at 700 ° C. which is described in Example 1 for the tungsten trioxide. Here, too, pyrophoric wol Frame carbide preparations are created.
Die Herstellung der Elektroden für die Aktivitätsmessungen erfolgt wiederum wie in Beispiel 1.The electrodes for the activity measurements are again produced as in Example 1.
3. Beispiel3rd example
1,82 g des nach obiger Vorschrift hergestellten Wolframtrioxids werden in einem Kunstharz-Preßgesenk mit einem Druck von 1 t/cm2 zu einer Tablette von 15 mm Durchmesser und 3 mm Dicke gepreßt Diese wird anschließend in einem Quarzrohr bei 7000C 6 Stunden lang einem Kohlenmonoxidstrom ausgesetzt, wobei sich Wolframcarbid bildet. Nach dem Abkühlen wird das Kohlenmonoxid in dem Quarzrohr durch Argon verdrängt und in dem Argonstrom die Elektrode mit 10 ml destilliertem Wasser durchfeuchtet.1.82 g of the tungsten trioxide produced according to the above procedure are pressed in a synthetic resin press die with a pressure of 1 t / cm 2 to give a tablet with a diameter of 15 mm and a thickness of 3 mm. This is then pressed in a quartz tube at 700 ° C. for 6 hours exposed to a stream of carbon monoxide, forming tungsten carbide. After cooling, the carbon monoxide in the quartz tube is displaced by argon and the electrode in the argon stream is moistened with 10 ml of distilled water.
Die Bestimmung der Aktivität gegenüber Formaldehyd und Ameisensäure erfolgt wiederum in der üblichen Halbzellenanordnung.The activity towards formaldehyde and formic acid is again determined in the usual way Half-cell arrangement.
4. Beispiel4th example
Dieses Beispiel entspricht bis zum Austausch des Kohlenmonoxids durch Argon genau dem 3. Beispiel. Zur Durchfeuchtung wird jedoch jetzt nicht destilliertes Wasser, sondern 10 ml Elektrolyt-Brennstoff-Gemisch, bestehend aus 3 η H2SO4 und 6 m HCHO, verwendet. Die Aktivitätsmessung erfolgt wieder wie oben in der Halbzellenanordnung.This example corresponds exactly to the 3rd example until the carbon monoxide is replaced by argon. For moisture penetration, however, not distilled water, but 10 ml electrolyte-fuel mixture, consisting of 3 η H 2 SO 4 and 6 m HCHO, is used. The activity measurement takes place again as above in the half-cell arrangement.
In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse dieser vier Beispiele zusammengestellt, wobei sich die Aktivitäten auf ein Potential von 25OmV auf eine Temperatur von 70° C beziehen:The results of these four examples are compiled in the following table, the Activities refer to a potential of 250mV at a temperature of 70 ° C:
flächeBET upper
area
W +COWO 3 + Zn
W + CO
WC +H2OWO 3 + CO
WC + H 2 O
WC +(H2SO4
+ HCHO)WO 3 + CO
WC + (H 2 SO 4
+ HCHO)
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