DE2119066A1 - Process for the production of noble metal and / or noble metal oxide coated objects, in particular electrodes - Google Patents

Process for the production of noble metal and / or noble metal oxide coated objects, in particular electrodes

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DE2119066A1 DE19712119066 DE2119066A DE2119066A1 DE 2119066 A1 DE2119066 A1 DE 2119066A1 DE 19712119066 DE19712119066 DE 19712119066 DE 2119066 A DE2119066 A DE 2119066A DE 2119066 A1 DE2119066 A1 DE 2119066A1
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Description

b etreffend:concerning:

"Verfahren zum Herstellen von edelmetall- und/oder edelmetalloxid-beschichteten Gegenständen, insbesondere Elektroden." "Process for the production of precious metal and / or precious metal oxide-coated objects, in particular electrodes."

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden von Edelmetallen oder Edelmetalloxiden durch Kathodenzerstäubung auf einen Metallträger, um diesem gute Eigenschaften sowohl hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit als auch der elektrochemischen Aktivität zu verleihen. "'' "^The invention relates to a method for the deposition of noble metals or noble metal oxides Cathode sputtering on a metal support, in order to have good properties both in terms of corrosion resistance as well as the electrochemical activity. "''" ^

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Der erfindungsgemäß beschichtete Werkstoff kann mit Erfolg für Elektroden in Elektrolysezellen mit Diaphragma oder Checksüberkathode oder in»Brennstoffelementen oder Brennstoffzellen sowie in Entsalzungsanlagen Verwendung finden.The material coated according to the invention can be used successfully for electrodes in electrolysis cells with a diaphragm or checks over cathode or in »fuel elements or Find fuel cells as well as in desalination plants.

Die üblicherweise als Anoden verwendeten Elektroden bestehen häufig aus Graphit, Ihre.Verwendung ist immer von einigen Nachteilen begleitet, die auf dem Elektrodenverbrauch (Abbrand) beruhen; dieser Abbrand bedingt eine Erhöhung der zum einwandfreiem Betrieb der Elektrolyse-Anlage erforderlichen Spannung infolge der Vergrößerung des Abstand zwischen den beiden Elektroden sowie eine Verunreinigung (Vergiftung) des Reaktionsmediums.The electrodes commonly used as anodes are often made of graphite, your use is always accompanied by some disadvantages based on electrode consumption (burn-off); this burn-up causes a Increase in the voltage required for proper operation of the electrolysis system as a result of the enlargement the distance between the two electrodes and contamination (poisoning) of the reaction medium.

Es wird deshalb seit einiger Zeit versucht, für derartige Verwendungen Anoden zu entwickeln, die aus einem Metall bestehens das eine gute Korrosionsfestigkeit gegenüber dem sie umge-bendea Medium besitzt und dije mit einem elektrochemisch aktiven Edelmetall überzogen/, wobei dieses Schichtmaterial abschließend eine die Aktivierung begünstigende Behandlung erfährt. Diese Anoden sind form- oder dimensionsbeständig und besitzen nicht die oben angeführten Nachteile. Bekannt geworden sind: Aus der schweizerischen Patentschrift 236 579 eine mit Platin überzogene Anode aus Zirkonium oder einer Zirkonium-Titanlegierung jIt is therefore for some time been trying to develop anodes for such uses, the s exist made of a metal a good corrosion resistance against which it has vice-Bendea medium and dije with an electrochemically active noble metal plated /, said sheet material finally an activation receives favorable treatment. These anodes are dimensionally or dimensionally stable and do not have the disadvantages mentioned above. The following have become known: From Swiss patent specification 236 579 a platinum-coated anode made of zirconium or a zirconium-titanium alloy j

aus der US-Patentschrift 2 719 797 eine mit Platin überzogene Anode aus Tantal oder Niob;US Pat. No. 2,719,797 discloses a platinum-coated tantalum or niobium anode;

aus der französischen -Patentschrift 1 200 841 eine mit Platin überzogene Anode aus Titan, wobei das Titan in der lage ist, in den Elektrolyselösungen (Elektrolyten) eine Oxid-Sperrschicht zu bilden, die die Tantaloberflache an den Stellen schützt, an denen das Platin porös ist; οfrom the French patent specification 1 200 841 one with Platinum-coated anode made of titanium, whereby the titanium is able to in the electrolysis solutions (electrolytes) to form an oxide barrier covering the tantalum surface protects where the platinum is porous; ο

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schließlich eine Elektrode aus einem Metall, das eine Sperrschicht bilden kann und mit einem Edelraetalloxid (französische Patentschrift 1 479 762) oder einem Gemisch aus Edelmetalloxiden und Nichtedelmetalloxiden (französische Patentschrift 1 555 960) beschichtet oder überzogen ist.finally an electrode made of a metal, the one Can form a barrier layer and with a precious metal oxide (French patent specification 1,479,762) or a mixture of noble metal oxides and base metal oxides (French patent 1,555,960) is coated or coated.

Eine Vielzahl von Verfahren wurden bisher angewandt, um der atgschiedenen Edelmetallschicht die Hafteigenschaften gegenüber dem Trägermetall und die elektrochemische Aktivität zu verleihen. Als Beispiel für Abscheidungsverfahren seien genannt das Aufdampfen im Vakuum, die thermische Zersetzung von Metallverbindungen sowie die elektrochemischen oder mechanischen Abscheidungsverfahren. A variety of procedures have been used so far, around the deposited noble metal layer the adhesive properties to the carrier metal and the electrochemical To give activity. An example of a deposition process is vapor deposition Vacuum, the thermal decomposition of metal compounds and the electrochemical or mechanical deposition processes.

Die. seit langem bekannte Arbeitsweise der Kathoden-The. long-known working method of the cathode

oesonders
zerstäubung hat sich als/geeignet erwiesen zur Erzeugung von Abscheidungen oder Niederschlagen, die auf den verschiedenen verwendeten Trägern ausgezeichnet haften und eine sehr gleichmäßige, homogene und reine Schicht ergeben. Die Arbeitsbedingungen, unter denen die Kathodenzerstäubung vorgenommen wird, beeinflußen in besonderer Weise die elektrochemischen Eigenschaften der so erzeugten Elektroden.
especially
Atomization has proven to be suitable for producing deposits or deposits that adhere excellently to the various substrates used and result in a very uniform, homogeneous and pure layer. The working conditions under which the cathode sputtering is carried out have a special influence on the electrochemical properties of the electrodes produced in this way.

Es hat sich nun gezeigt, daß bei Durchführung der Kathodenzerstäubung unter ganz bestimmten Bedingungen Elektroden erhalten werden, die in hervorragender Weise für ihre spätere Verwendung geeignet sind.It has now been shown that when the cathode sputtering is carried out under very specific conditions Electrodes are obtained which are excellently suited for their later use.

Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zum Abscheiden von Edelmetallen oder Edelmetalloxiden auf einen Metallträger mittels Kathodenzerstäubung und ist dadurch.The invention therefore relates to a method for depositing noble metals or noble metal oxides on one Metal carrier by means of cathode sputtering and is thereby.

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gekennzeichnet, daß der Metallträger zunächst einem Ionenbeschuß in einer Edelgas-Restgasatmosphäre unterworfen wird und dann, ohne, das Absinken der durch Ionenbeschuß erhöhten Temperatur abzuwarten, mittels Kathodenzerstäubung mit einem Edelmetall oder einem Edelmetalloxid beschichtet wird, wobei die Kathodenzerstäubung zunächst in einer Edelgas-Restgasatmosphäre und dann in einer .Atmosphäre aus Edelgas und Sauerstoff vorgenommen wird. Vorzugsweise wird als Edelgas reines Argon verwendet.characterized in that the metal carrier is first subjected to ion bombardment in a residual inert gas atmosphere and then, without waiting for the temperature increased by ion bombardment to drop, by means of cathode sputtering is coated with a noble metal or a noble metal oxide, the cathode sputtering initially is carried out in a noble gas residual gas atmosphere and then in an atmosphere of noble gas and oxygen. Pure argon is preferably used as the noble gas.

Diese Arbeitsweise der Kathodenzerstäubung gehört in die Klasse der Metallabscheidungen durch elektrische Entladung in einem Gas mit geringem Druck (Teilvakuum).This method of cathode sputtering belongs to the class of metal deposition by electrical means Discharge in a gas with low pressure (partial vacuum).

Die erforderliche Vorrichtung umfaßt eine Vakuumkammer, ein "Pumpsystem oder Pumpenaggregat, eine Hochspannungs-Speisung und ein Gas-Einlaßsystem. Die Vakuumkammer enthält die aus Edelmetall bestehende Kathode und die aus dem Metallträger, der beschichtet werden soll, bestehende Anode. Die Kathodenzerstäubung besteht darin, daß aus der Kathode durch den Beschuß mit durch den Abfall des Kathodenpotentials (Kathodenfall) beschleunigten Ionen Atome herausgeschlagen oder extrahiert werden.The required device includes a vacuum chamber, a "pumping system or pump unit, a high-voltage supply and a gas inlet system. The vacuum chamber contains the noble metal cathode and the anode consisting of the metal support to be coated. Cathode sputtering consists in that accelerated from the cathode through the bombardment with through the drop in the cathode potential (cathode fall) Ions atoms are knocked out or extracted.

Die von der auf eine hohe negative Spannung gebrachten Kathode freigesetzten Elektronen werden beschleunigt und bewirken die Ionisation der Moleküle des Restgases in dem Raum zwischen den Elektroden. Bei jedem Zusammenprall bildet sich dabei ein positives Ion, das zur Kathode hin wieder beschleunigt wird und ein Elektron, das sich zur Anode richtet. Durch den Aufschlag oder Aufprall des positiven Ions auf der Kathode werden aus deren Oberfläche Atome herausgeschlagen, die sich auf der Anode niederschlagen. The electrons released by the cathode, which is brought to a high negative voltage, are accelerated and cause the ionization of the molecules of the residual gas in the space between the electrodes. With every collision A positive ion is formed, which is accelerated again towards the cathode, and an electron, which moves towards the Anode sets up. The impact of the positive ion on the cathode changes its surface Atoms knocked out and deposited on the anode.

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Eine derartige Arbeitsweise ist insofern von Bedeutung, als Niederschläge oder Abscheidungen von hohem Reinheitsgrad erhalten "werden, weil die Vakuumkammer im Hochvakuum entgast v/erden kann und die Zusammensetzung des ionisierten Gas, d.h. das Plasma "beeinflußt werden kann, das sich im Verlauf der Entladung bildet und das . eine Wirkung auf die Struktur und die Eigenschaften der niedergeschlagenen Schichten ausübt.Such a way of working is important to the extent that as precipitates or deposits of high purity are obtained "because the vacuum chamber in the High vacuum can be degassed / grounded and the composition of the ionized gas, i.e. the plasma "can be influenced that forms in the course of the discharge and that. an effect on the structure and properties of the dejected strata.

Der Metallträger, also die Anode, wird vor dem Einbringen in den Vakuumraum vorbehandelt, und zwar sandgestrahlt, damit das Metall eine für gute elektrochemische Eigenschaften günstige große entwickelte (ausgedehnte) Oberfläche erhält, sowie entfettet, um den erforderlichen Sauberkeitsgrad zu erreichen. Dieser Träger und das zu zerstäubende Edelmetall werden dann im Vakuumraum als Elektroden angeordnet. Während des Ionenbeschusses wird der Metallträger durch Anlegen einer hohen negativen Spannung als Kathode geschaltet. Er wird damit zeitweilig zur Kathode und zerstäubt. Das Edelmetall wird während dieses Arbeitsschrittes durch eine bewegliche Maske vor den aus dem Träger herausgeschlagenen Atomen geschützt. Dieser Ionenbeschuß des Trägers hat zum Ziel, die Oberfläche, die nachher beschichtet werden soll, zu entgasen und abzubeizen, indem die Oxidschichten, die Spuren von Kohlenwasserstoffen, Fetten und anderen mehr entfernt werden. Man erhält auf diese Weise einen Träger, dessen Oberfläche sich so weit wie möglich dem Zustand des reinen Metalls angenähert hat. Dieser Ibnenbeschuß, der bei Raumtemperatur einsetzt, ist von einer Erhöhung de:
erreicht.
The metal carrier, i.e. the anode, is pretreated before being introduced into the vacuum chamber, namely sandblasted so that the metal has a large, developed (extensive) surface that is favorable for good electrochemical properties, and it is degreased in order to achieve the required degree of cleanliness. This carrier and the noble metal to be atomized are then arranged as electrodes in the vacuum space. During the ion bombardment, the metal carrier is switched as a cathode by applying a high negative voltage. It thus temporarily becomes the cathode and is atomized. During this work step, the precious metal is protected from the atoms knocked out of the carrier by a movable mask. The aim of this ion bombardment of the carrier is to degas and pickle the surface which is to be coated afterwards, in that the oxide layers, the traces of hydrocarbons, fats and others are removed. In this way, a support is obtained whose surface has approximated the state of the pure metal as closely as possible. This bombardment, which starts at room temperature, is of an increase in:
achieved.

höhung der Temperatur begleitet, die 300 bis 50O0CAccompanying increase in temperature, the 300 to 50O 0 C

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mm Q μ mm Q μ

Der Metallträger wird dann schnell von der Hochspannungsquelle getrennt und als Anode geschaltet, die bereit ist, den Niederschlag infolge der Kathodenzerstäubung des in Kathodenstellung befindlichen Edelmetalls aufzunehmen. Die Schutzmaske der Kathode wird entfernt und die letztere mit der Hochspannungsquelle verbunden. Diese Kathodenzerstäubung auf die Anode wird unmittelbar anschließend vorgenommen und dadurch ein merkliches Absinken der Anodentemperatur, die etwa 30O0O beträgt, vermieden. Dieses Aufrechterhalten der Temperatur ist sehr wichtig für die elektrochemischen Eigenschaften der späteren Elektrode. Die erste Phase der Kathodenzerstäubung wird in einer Edelgas-Restgasatmosphäre, vorzugsweise in reinem Argon während 30 Sekun^an bis zu 5 Minuten vorgenommen. Diese Zeit reicht auch aus, um der späteren Elektrode gute Korrosionsfestigkeit-Eigenschaften zu verleihen, weil die erzeugte Haftschicht sehr gut auf dem. Metallträger verankert ist unter Bildung einer Mikrodiffusiönsschicht. Durch die Anwesenheit des Edelgases wird die Bildung einer Metalloxidschicht auf der Oberfläche des Trägers verhindert. Man erhält auf diese Weise einen Träger in praktisch metallischem Zustand, dessen Oberfläche keinerlei Verunreinigungen enthält und mit einer harten und kompakten Schicht aus Edelmetall überzogen ist.The metal carrier is then quickly separated from the high-voltage source and connected as an anode, which is ready to absorb the precipitate as a result of the sputtering of the noble metal in the cathode position. The protective mask of the cathode is removed and the latter is connected to the high voltage source. This cathode sputtering onto the anode is carried out immediately afterwards and a noticeable drop in the anode temperature, which is approximately 30O 0 O, is avoided. This maintenance of the temperature is very important for the electrochemical properties of the subsequent electrode. The first phase of cathode sputtering is carried out in an inert gas residual gas atmosphere, preferably in pure argon, for 30 seconds up to 5 minutes. This time is also sufficient to give the subsequent electrode good corrosion resistance properties because the adhesive layer produced is very good on the. Metal support is anchored to form a microdiffusiönsschicht. The presence of the noble gas prevents the formation of a metal oxide layer on the surface of the carrier. In this way, a support is obtained in a practically metallic state, the surface of which does not contain any impurities and is coated with a hard and compact layer of noble metal.

Sobald die abgeschiedene Schicht ausreichend stark ist, um die Metalloberfläche des Trägers gegen die Korrosion zu schützen, wird die zweite Phase der Kathodenzerstäubung in einer Reatgasatmosphäre aus Edelgas, vorzugsweise Argon und Sauerstoff vorgenommen, wobei der Partialdruck des Sauerstoffes in dem Gemisch bei 0,1 bis 25 % gehalten wird. Die Einführung von Sauerstoff in dieser Verfahrensstufe ist von großer Bedeutung, weil sie zu einem Hieder- As soon as the deposited layer is sufficiently thick to protect the metal surface of the carrier against corrosion, the second phase of cathode sputtering is carried out in a reactive gas atmosphere of noble gas, preferably argon and oxygen, the partial pressure of the oxygen in the mixture being 0.1 to 25 % is held. The introduction of oxygen at this stage of the process is of great importance because it leads to a

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schlag aus Edelmetall oder einem Oxids dieses Edelmetalls von besonderer Beschaffenheit führt. Man erhält so ein feinverteiltes mikrokristallinSs und poröses Material, das anschließend nicht mehr aktivierend behandelt werden muß, um gute elektrochemische Eigenschaften aufzuweisen. Es hat sich gezeigt, daß bei der Zerstäubung des Edelmetalls in Gegenwart eines bestimmten Prozentgehaltes Sauerstoff im Argon das Metall nicht oxidiert wird und man ein poröses Edelmetall mit geringerer Dichte als normal erhält, infolge der Adsorption des Sauerstoffs durch das Metall,ohne daß dabei das Oxid gebildet wird. Allgemein erhält man einen Niederschlag aus mikrokristallinem Edelmetall oder Edelmetalloxid mit großer spezifischer Oberfläche; dies ist sehr wichtig, weil die elektrochemische Aktivität unmittelbar proportional dieser Oberfläche ist.impact of precious metal or an oxide of this precious metal of a special nature. You get one like that finely divided microcrystalline and porous material, which then no longer needs to be treated in an activating manner in order to have good electrochemical properties. It has been shown that when the noble metal is atomized in the presence of a certain percentage Oxygen in argon the metal is not oxidized and you are a porous precious metal with a lower density than normally obtained due to the adsorption of oxygen by the metal without forming the oxide. In general, a deposit of microcrystalline noble metal or noble metal oxide is obtained with a high specific Surface; this is very important because the electrochemical activity is directly proportional to this surface area is.

Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beschreibung als Edelgas überwiegend Argon angegeben; selbstverständlich kann das Argon aber ganz oder teilweise durch jedes andere Edelgas ersetzt werden.For the sake of simplicity, argon is predominantly indicated as the noble gas in the present description; Of course, all or part of the argon can be replaced by any other noble gas.

Als Metallträger, der die Anode bildet, wird ein Metall verwendet, das in den Elektrolyten eine Sperrschicht ausbilden kann, d.h. Tantal, Zirkonium, Niob, Titan und ihre Legierungen. Es kann auch ein Träger verwendet werden, der duash Korrosion angegriffen wird, aber ein guter elektrischer Leiter ist, beispielsweise Kupfer, Stahl oder Aluminium das (der) zuvor mit einer ausreichenden Schutzschicht dieser Metalle, die eine Sperrschicht oder Sperrhaut bilden kann, überzogen worden ist.A metal is used as the metal carrier that forms the anode, which forms a barrier layer in the electrolyte can form, i.e. tantalum, zirconium, niobium, titanium and their alloys. It can also be a carrier can be used, which is attacked by duash corrosion, but is a good electrical conductor, for example Copper, steel or aluminum that (the) previously with a sufficient protective layer of these metals, the one Can form a barrier layer or barrier skin, has been coated.

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Zu den Edelmetallen, die die Kathode bilden und auf die Anode zerstäubt werden, gehören die Metalle der Platingruppe, d.h. Platin, Iridium, Palladium, Rhutenium, Osmium, Rhodium und ihre Legierungen; die Metalle und/oder legierungen können einzeln oder im Gemisch miteinander Verwendung finden. Der Jonenteschußdes als Kathode geschalteten Metallträgers soll ausreichend lang -vorgenommen werden, um ein gutes Entgasen und Abbeizen bzw. Reinigen der Oberfläche zu gestatten. Allgemein reicht eine Spanne von 10 bis 30 Minuten aus, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.The noble metals that form the cathode and are atomized onto the anode include the metals of the platinum group, i.e., platinum, iridium, palladium, ruthenium, osmium, rhodium and their alloys; the metals and / or Alloys can be used individually or in a mixture with one another. The ion shot of the connected as cathode The metal support should be made long enough to allow good degassing and pickling or cleaning to allow the surface. Generally, a period of 10 to 30 minutes is sufficient to achieve the desired result to achieve.

' Die Zeitdauer der Kathodenzerstäubung des Edelmetalles in reiner Argon-Restgasataosphäre muß ebenfalls ausreichen, um eine Mibrodiffusionsschicht zu erhalten, die einen guten Schutz des Metallträgers gestattet. Allgemein wird dieses angestrebte Ergebnis in einer Spanne von 30 Sekunden bis zu 5 Minuten ereicht. Die Dauer dieses Arbeitsschrittes kann verlängert werden; dies ist jedoch ohne besondere praktische Bedeutung, weil dadurch lediglich die Edelmetall-Schutzschicht verstärkt wird, was zu einem wirtschaftlichen Machteil ohne besonderen technischen Fortschritt führt.'The duration of the sputtering of the noble metal in pure argon residual gas atmosphere must also be sufficient to obtain a microfusion layer, the one good protection of the metal support is permitted. Generally, this desired result will be achieved in a span of 30 seconds reached up to 5 minutes. The duration of this work step can be extended; however, this is without special practical importance because it only reinforces the protective layer of precious metal, which makes it economical Machteil leads without any particular technical progress.

Die zweite Stufe der Kathodenzerstäubung in einer Atmosphäre aus Argon und Sauerstoff wird solange durchgeführt, bis die Schichtdicke des Niederschlags aus fein zerteiltem porösem Edelmetall oder Edelmetalloxid 0,1 bisThe second stage of cathode sputtering in an atmosphere of argon and oxygen is carried out as long as until the layer thickness of the precipitate of finely divided porous noble metal or noble metal oxide 0.1 to

1 /um beträgt. Bei dieser Schichtdicke wird eine Elektrode erhalten, die eine zufriedenstellende Aktivitäts-oder Lebens-· dauer besitzt. Allgemein wird, die angestrebte Schichtdicke durch Kathodenzerstäubung in Argon und Sauerstoff während1 / µm. With this layer thickness, an electrode is obtained which has a satisfactory activity or life duration owns. In general, the desired layer thickness is achieved by cathode sputtering in argon and oxygen during

2 bis 30 I-linuten erzielt. Sobald dieser Niederschlag2 to 30 I-minutes achieved. As soon as this precipitation

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fertiggestellt ist, läßt man die erfindungsgeroäß erzeugte Anode in der Yakuumkammer abkühlen.is completed, one leaves the erfindungsgeroäß generated Cool the anode in the yakuum chamber.

Der prozentuale Anteil des «Sauerstoffs ist ebenfalls von Bedeutung. Ein Minimum an Sauerstoff ist erforderlich, damit die erzeugte Elektrode eine gute Aktivität besitzt. Es ist aber nicht notwendig, einen zu hohen prozentualen Anteil an Sauerstoff einzusetzen, weil dies keine weitere Verbesserung der elektrochemischen Aktivität der Elektrode bewirkt, hingegen die Ausbeute der Kathodenzerstäubung des Edelmetalls oder seines Oxids verringern und damit die Dauer der Kathodenzerstäubung über das normale Maß hinaus verlängern kann.The percentage of "oxygen" is also important. A minimum of oxygen is required so that the generated electrode has good activity. But it is not necessary to have a too high percentage Use proportion of oxygen because this does not further improve the electrochemical activity of the electrode causes, however, reduce the yield of the sputtering of the noble metal or its oxide and thus the The duration of the sputtering can extend beyond the normal extent.

Die ausschließlich in reiner Argonatmosphäre durchgeführte Kathodenzerstäubung kann angewandt werden, um einen Metallniederschlag zu erzeugen, der eine Sperrschicht auf einem gut leitenden Träger wie Kupfer, Eisen oder Aluminium bildet. In diesem Falle zeigt das leitende Metall eine gute Passivierung gegenüber den korrodierenden Substanzen und kann als Metallträger dienen, auf welchem ein Niederschlag aus Edelmetall oder Edelraetalloxid dann durch Kathodenzerstäubung unter den erfindungsgemäß einzuhaltenen Bedingungen aufgebracht wird.Cathode sputtering, which is carried out exclusively in a pure argon atmosphere, can be used to to create a metal deposit that forms a barrier layer on a highly conductive substrate such as copper, iron or forms aluminum. In this case, the conductive metal shows good passivation compared to the corrosive Substances and can serve as a metal carrier on which a precipitate of precious metal or precious metal oxide then by cathode sputtering to be complied with according to the invention Conditions is applied.

Die unmittelbar in einer Mischung aus Argon und Sauerstoff durchgeführte Kathodenzerstäubung des Edelmetalls führt zu einer Elektrode, die keine schützende Mikrodiffusionsschicht besitzt, die ja durch den Niederschlag in reiner Argonatmosphäre gebildet wird. In diesem PaIIe ist der gesamte Niederschlag oder Überzug mikrokristallin und porös. Eine so beschaffene Elektrode zeigt zwar in einem Elektrolyten eine korrekte Polarisationskurve; ihre Lebensdauer ist aber verkürzt und ihre elektrochemische Aktivität nimmt schnell ab, infolge der Neigung zum Abziehen oder Abschälen des erzeugten Nieder-The cathode sputtering of the noble metal carried out directly in a mixture of argon and oxygen leads to an electrode that does not have a protective microdiffusion layer, which is caused by the precipitation is formed in a pure argon atmosphere. In this pallet, all of the precipitate or coating is microcrystalline and porous. An electrode made in this way shows a correct polarization curve in an electrolyte; but their lifespan is shortened and theirs electrochemical activity decreases rapidly due to the tendency to peel or peel off the generated deposit

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schiags oder Überzugs. Eine Elektrode gleicher Art wird erhalten, wenn man nach dem Ionenbeschuß des Metallträgers die Temperatur auf etwa 5O0G absinken läßt, bevor die Kathodenzerstäubung des Edeimetalles vorgenommen wird.schiags or cover. An electrode of the same kind is obtained, when allowed to drop the temperature to about 5O 0 G after the ion bombardment of the metal support before the sputtering of the Edeimetalles is made.

Me folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.The following examples serve to provide a more detailed explanation the invention.

Beispiel 1example 1

Bin 30 mm breites 50 mm langes und 3 mm dickes Prüfplättchen aus Titan wurde sandgestrahlt, unter fließendem Wasser abgebürstet und dann in Trichloräthylendämpf en entfettet, mit Methvlenalkohol gespült und in die Vakuumkammer eingebracht; der Druck in dieser Kammer wurde dann auf 10 Torr gebracht.Am 30mm wide, 50mm long and 3mm thick Titanium test plaques were sandblasted, brushed off under running water and then in trichlorethylene steam degreased, rinsed with methylene alcohol and placed in the vacuum chamber; the pressure in this chamber was then brought to 10 torr.

Zur Durchführung des lorsenbeschusses wurde dieses Titanplättchen an eine Gleichstromquelle mit einer Spannung von 3000 ¥ angeschlossen. Die Kammer wurde mitThis was used to carry out the lorsen bombardment Titanium plate connected to a direct current source with a voltage of 3000 ¥. The chamber was with

—3 reinem Argon bis zu einem Partialdruck von 40 χ 10 Torr gefüllt und der Abtrag der Oberflächenschicht des Titans etwa 30 min lang vorgenommen unter einer elektrischen—3 pure argon up to a partial pressure of 40 χ 10 Torr filled and the removal of the surface layer of the titanium carried out for about 30 minutes under an electric

Leistung von 1,8 Vi je cm . Die Temperatur des Titanplättchen wurde am Ende dieses Arbeitsganges bei 35O0C stabilisiert; während der gesamten Zeit wurde die Platinkathode durch eine gleitbare bewegliche Maske geschützt.Output of 1.8 Vi per cm. The temperature of the titanium platelet was stabilized at 35O 0 C at the end of this operation; during the entire time the platinum cathode was protected by a sliding, movable mask.

Darauf wurde das Titanplättchen von der Hochspannungsquelle getrennt und die Hochspannung an die Platinkathode angelegt. Dieser Arbeitsvorgang lief sehr schnell ab, um ein Absinken der Temperatur, die bei 300 bis 35O0C lag,The titanium plate was then separated from the high voltage source and the high voltage was applied to the platinum cathode. This process ran very quickly in order to avoid a drop in the temperature, which was 300 to 35O 0 C,

- 11 109845/1847 - 11 109845/1847

zu vermeiden.to avoid.

Die erste Stufe der Abscheidung von Platin auf den Titanplättchen wurde dann in eitler reinen Argon-Restgasatmosphäre während 2 min bei einer Temperatur von etwa 300 C durchgefiüirt. Das abgeschiedene Platin war sehr dicht und überhaupt nicht porös.The first stage of the deposition of platinum on the titanium flakes was then in a pure argon residual gas atmosphere carried out for 2 minutes at a temperature of about 300.degree. The deposited platinum was very dense and not porous at all.

Darauf wurde Sauerstoff in die Kammer eingeleitet bis zu einem Argon/Sauerstoffverhältnis von 80:20. Die Abscheidung von Platin wurde fortgesetzt bis eine Schichtdicke von 2500 Angstrg/m oder 250 nm erreicht worden war, ( gemessen mit dem Schichtdickenmesser an Vergleichsplättchen aus Glas. Die beiden Arbeitsstufen der Platinabscheidung wurden unter einer Spannung von 3000 V und bei LeistungOxygen was then introduced into the chamber up to an argon / oxygen ratio of 80:20. The deposition of platinum was continued until a layer thickness of 2500 Angstrg / m or 250 nm had been reached ( measured with the layer thickness meter on comparative glass plates. The two stages of platinum deposition were carried out under a voltage of 3000 V and with power

ρ
von 2 W je cm durchgeführt. Die Elektrode wurde nach 30 min langem Abkühlen aus Vakuumkammer herausgenommen.
ρ
of 2 W per cm. The electrode was removed from the vacuum chamber after cooling for 30 minutes.

Die zweite Stufe der Abscheidung von Platin in einer Mischgasatmosphäre aus Argon und Sauerstoff gestattet es, da Platin in seiner aktiven Form zu erhalten, die gekennzeichnet ist durch eine geringe Dichte im Vergleich mit massivem Platin, einen beträchtlichen elektrischen spezifischen Leitungswiderstand* einer sehr stark ent- m wickelten spezifischen Oberfläche, markiert mit Bezug auf die katalytisohe Aktivität. Durch Roentgenbeugungsanalyse, RefLektion und Transmission, Elektronenbeugungsanalyse und IR-spektrometrische Analyse wurde festgestellt, daß dieses aktive Platin kubische Platin mit zentrierten Flächen ist und keinerlei Oxid enthält. Die Oberfläche des aktiven Niederschlags oder der aktiven Abscheidung wurde mit dem Raster-oder Feldelektronen mikroskop "Stereoscan11 untersucht und dabei eine poröse mikrokristalline Struktur festgestellt, was die gefundenenThe second stage of the deposition of platinum in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen makes it possible to obtain platinum in its active form, which is characterized by a low density compared to solid platinum, a considerable electrical resistivity * a very strong difference. m wrapped specific surface area, marked with reference to the catalytic activity. By means of X-ray diffraction analysis, reflection and transmission, electron diffraction analysis and IR spectrometric analysis, it was found that this active platinum is cubic platinum with centered surfaces and does not contain any oxide. The surface of the active deposit or the active deposit was examined with the scanning or field electron microscope "Stereoscan 11 " and a porous microcrystalline structure was determined, which was found

- 12 109845/1847 - 12 109845/1847

Werte für die Dichte, den spezifischen Iieitungswiderstand und die spezifische Oberfläche bestätigte.Values for the density, the specific conductivity and the specific surface area were confirmed.

Die mit Platin beschichtete Titanelektrode wurde in eine Elektrolysezelle e-ingebracht, die eine Kochsalzlösung in einer Konzentration von 300 g/l enthielt. Die elektrochemischen Eigenschaften wurden*-90°G durch die Polarisationskurve und den spezifischen Verbrauch von Platin bei längerem The titanium electrode coated with platinum was placed in an electrolytic cell containing a saline solution contained in a concentration of 300 g / l. The electrochemical properties were * -90 ° G through the polarization curve and the specific consumption of platinum over a longer period

2 Betrieb bei einer Stromdichte von 2 Amp/cra bestimmt. Es2 Operation at a current density of 2 Amp / cra determined. It

wurden gemessen: *beiwere measured: * at

eine Mindestentladungsspannung (Abscheidungspotential) für * Chlor, bezogen auf die gesättigte Kalomelelektrode En=I,054 V/ECS (EGS=gesättigte Kalomelelektrode)a minimum discharge voltage (separation potential) for * chlorine, based on the saturated calomel electrode E n = I, 054 V / ECS (EGS = saturated calomel electrode)

U ρU ρ

ein Polarisationswiderstand von 0,120 -Π-cm ein Platinverbrauch von weniger als 100 mg/t produziertes Chlor.a polarization resistance of 0.120 -Π-cm a platinum consumption of less than 100 mg / t chlorine produced.

Yergleichsversuche 1 bis 3Comparison attempts 1 to 3

Diese Versuche wurden wie Beispiel 1 aber unter anderen Bedingungen als sie erfindungsgemäß eingehalten werden sollen durchgeführt.As in Example 1, these tests were carried out under other conditions than are to be complied with according to the invention carried out.

^ ' Die Vorbehandlung der Titanplättchen durch lonenbe-™ schuß wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 vorgenommen. Nach dem Ionenbeschuß betrug die Temperatur 3000G. Die Bedingungen für die Abscheidung des Platins wurden variiert.The pretreatment of the titanium platelets by ion bombardment was carried out under the same conditions as in Example 1. After the ion bombardment, the temperature was 300 ° C. The conditions for the deposition of the platinum were varied.

Vergleichsversuch 1Comparative experiment 1

Die Abscheidung von Platin wurde sofort anschließend ohne Abkühlen, aber unmittelbar in einer Mischgasatmosphäre aus Argon und Sauerstoff im Verhältnis SOi20 durchgeführt.The deposition of platinum was carried out immediately afterwards without cooling, but immediately in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen in the ratio SOi20.

- 13 10984S/1847 - 13 10984S / 1847

Dabei wurde keine schützende, unporöse Mikrodiffusionsschicht aus "sehr dichtem _~ Pia tin, sonderen unmittelbar eine stark poröse Schicht aus f3ktiven)*Platin erhalten. Die Abscheidung erfolgt unter einer Spannung von 3000 V mitThere was no protective, non-porous microdiffusion layer from "very dense _ ~ pia tin, special one immediately highly porous layer of active platinum. the Deposition takes place under a voltage of 3000 V with

einer Leistung von 2 V/je era ,. während 4 rain und führte zu einer Schichtdicke von 2200 £ oder 220 nm.a power of 2 V / era,. during 4 rain and led to a layer thickness of 2200 pounds or 220 nm.

Die elektrochemischen Eigenschaften dieser mit Platin überzogenen Titanelektrode wurden gemäß Beispiel 1 bestimmt und ergaben:The electrochemical properties of this one with platinum coated titanium electrodes were determined according to Example 1 and gave:

Mindestentladungsspannung für Chlor En= 1,056 Y/ECSMinimum discharge voltage for chlorine E n = 1.056 Y / ECS

Polarisationswiderstand 0,105-fl-.cmPolarization resistance 0.105-fl-.cm

Platinverbrauch 180 mg/t produziertes Chlor. Vergleiohsversuch 2 Platinum consumption 180 mg / t chlorine produced. Comparison attempt 2

Die Platinabscheidung wurde nach 30 min langem Abkühlen bei einer Temperatur von 300C zunächst während 2 min in reinem Argon und dann während 2 min in Mischgasatmosphäre aus Argon und Sauerstoff im Verhältnis 80:20 unter der gleichen Spannung und bei gleicher Leistung wie im Beispiel 1 und 2 durchgeführt. Die Dicke der erzeugten Platinschicht betrug 2000 S. oder 200 nm.After cooling for 30 minutes at a temperature of 30 ° C., the platinum was deposited first for 2 minutes in pure argon and then for 2 minutes in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen in a ratio of 80:20 under the same voltage and with the same output as in Example 1 and 2 performed. The thickness of the platinum layer produced was 2000 S. or 200 nm.

Die elektrochemischen Eigenschaften dieser platinbeschichteten Titanelektrode wurden wie im Beispiel 1 und 2 bestimmt:The electrochemical properties of this platinum-coated titanium electrode were as in Example 1 and 2 determines:

Mindestentladungsspannung des Chlors En=I,065 V/ECSMinimum discharge voltage of the chlorine E n = 1.065 V / ECS

Polarisationswiderstand 0,135 Jp-·cmPolarization resistance 0.135 Jp- · cm

Platinverbrauch 600 mg/t produziertes Chlor.Platinum consumption 600 mg / t chlorine produced.

-H--H-

1098A5/18471098A5 / 1847

Yergleichsversuch 3Matching attempt 3

Die Platinabsclieidung wurde» nach 30 rain langem Abkühlen bei einer Temperatur von 300G unmittelbar in einer Mischgasatmosphäre Argon-Sauerstoff 80:20 unter der gleichen Spannung und bei gleicher leistung wie in den Beispielen 1 bis 3 durchgeführt. Die Dicke der abgeschiedenen Platinschicht betrug 2200 £ oder 220 nm bei einer Dauer der Kathodenzerstäubung von 4 Minuten.The platinum plating was carried out after 30 rain of cooling at a temperature of 30 ° G directly in a mixed gas atmosphere argon-oxygen 80:20 under the same voltage and with the same power as in Examples 1 to 3. The thickness of the deposited platinum layer was 2200 pounds or 220 nm with a sputtering duration of 4 minutes.

Die elektrochemischen Eigenschaften dieser platinbe-" ' schichteten Titanelektrode wurden wie in den vorangegangenen Beispielen bestimmt; gemessen wurden:The electrochemical properties of this platinum-coated " Layered titanium electrodes were determined as in the previous examples; were measured:

. Mindestentladungsspannung für Chlor En=I,060 V/ECS. Minimum discharge voltage for chlorine E n = I, 060 V / ECS

' 2'2

Polarisationswiderstand 0,105-A..cm Platinverbrauch 1100 mg/t produziertes Chlor.Polarization resistance 0.105-A..cm Platinum consumption 1100 mg / t chlorine produced.

Dieser Vergleich zeigt deutlich die Bedeutung der erfindungsgemäß platinbeschichteten Titanelektroden, die in einer wesentlich längeren Betriebs-oder Nutzungsdauer im Elektrolyten liegt, da die Menge des verbrauchten Platins außerordentlich gering ist.This comparison clearly shows the importance of the platinum-coated titanium electrodes according to the invention, the in a significantly longer operating or useful life in the electrolyte, since the amount of consumed Platinum is extremely low.

H Beispiel 2 H example 2

Es wurde genau wie im Beispiel 1 ein 30 χ 50 χ 3 ram großes Plättchen aus Tantal mit Platin beschichtet; das Platinplättchen wurde in der ersten Yerfahrensstufe· unter denselben Bedingungen einem Ionenbeschuß unterworfen. Die Gesamtschichtdicke des abgeschiedenen Platins, d.h. Mikrodiffusionsschicht und poröses Platin betrug 2000 S. oder 200 nm. Bei "Verwendung dieses platinbeschichteten Tantalplättchens als Elektrode gemäß Beispiel 1 wurden folgende Werte gemessen:Exactly as in Example 1, a 30 χ 50 χ 3 ram plate made of tantalum was coated with platinum; In the first stage of the process, the platinum platelet was subjected to ion bombardment under the same conditions. The total layer thickness of the deposited platinum, ie microdiffusion layer and porous platinum, was 2000 S. or 200 nm. When this platinum-coated tantalum plate was used as the electrode according to Example 1, the following values were measured:

-15-109845/1847 -15-109845 / 1847

Mindestentladungsspannung für Chlor 1,062 V/ICSMinimum discharge voltage for chlorine 1.062 V / ICS

Polarisationswiderstand 0,051 -Π-ictaPolarization resistance 0.051 -Π-icta

Platinverbrauch unter 150 rag/t produziertes Chlor. Beispiel 3 Platinum consumption below 150 rag / t chlorine produced. Example 3

Bin Titanplättchen gemäß Beispiel 1 wurde unter den oben "beschriebenen Bedingungen eiflem lonenbeschuß unterworfen. Die Temperatur betrug darauf 3000G; zur Kathodenzerstäubung wurde eine Rutheniumkathode verwendet. Die erste Stufe der Kathodenzerstäubung dauerte 45 see und wurde im reinen Argon bei einem Partialdruok von 50 X 10Bin titanium flakes according to Example 1 was subjected to the above "conditions described eiflem ion bombardment The temperature it was 300 0 G;. For sputtering a Rutheniumkathode was used The first stage of sputtering took 45 lake and was in pure argon at a Partialdruok of 50 X. 10

2 Torr und einer Leistung von 2,1 W je cm vorgenommen; der zweite Zerstäubungsschritt erfolgte in Mischgasatmosphäre aus Argon und Sauerstoff im Verhältnis 99,8:0,2 während 5 min bei gleichem Partia!druck und bei einer2 Torr and a power of 2.1 W per cm made; the second atomization step was carried out in a mixed gas atmosphere of argon and oxygen in a ratio of 99.8: 0.2 for 5 minutes with the same partia pressure and with one

ρ
Leistung von 1,9 W je cm .
ρ
Power of 1.9 W per cm.

betrug 2700 S oder 270 nm.was 2700 S or 270 nm.

Leistung von 1,9 W je cm . Die Dicke der erzeugten SchichtPower of 1.9 W per cm. The thickness of the layer created

Bei Verwendung dieser rutheniumbeschichteten Titanelektrode wurden folgende Werte gemessen:When using this ruthenium-coated titanium electrode, the following values were measured:

Mindestentladungsspannung dee Ghlors En=I,066 V/ECSMinimum discharge voltage of the Ghlors E n = 1.066 V / ECS

w 2w 2

Polarisationswiderstand 0,07 JLl.cm RutheniusBverbrauch 58 mg/t produziertes Chlor.Polarization resistance 0.07 JLl.cm Ruthenius consumption 58 mg / t chlorine produced.

PatentansprücheClaims

109845/1847109845/1847

Claims (7)

Patent a'nsprüchePatent claims Verfahren zum Herstellen von edelmetall- und/oder e'lmetalloxidbesehichteten Gegenständen, insbesondere von Elektroden für Elektrolysezellen, Brennstoffzellen, und Entsalzungsanlagen durch Abscheiden eines Edelmetalls oder Edelmetalloxids auf einen Metallträger mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß man den Metallträger zunächst einem lonenbeschuß in einer Restgasatmosphäre aus Edelgas unterwirft und darauf, ohne den Abfall der durch den lonenbeschuß erhöhten Temperatur abzuwarten, eine Schicht aus Edelmetall und/oder Edelmetalloxid durch Kathodenzerstäubung aufbringt und diese Kathodenzerstäubung zunächst in Restgasatmosphäre aus reinem Edelgas und darauf in einer Restgasatmosphäre aus Edelgas und Sauerstoff vornimmt.Process for the production of objects coated with precious metal and / or e'lmetalloxid, in particular of electrodes for electrolysis cells, fuel cells and desalination plants by depositing a noble metal or noble metal oxide on a metal carrier by means of cathode sputtering, characterized in that the metal carrier is first an ion bombardment in a residual gas atmosphere of noble gas submits and then, without waiting for the temperature increased by the ion bombardment to drop Applying layer of noble metal and / or noble metal oxide by cathode sputtering and this cathode sputtering first in a residual gas atmosphere made of pure noble gas and then in a residual gas atmosphere made of noble gas and oxygen takes. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man den lonenbeschuß des Metallträgers bis zu einem Temperaturanstieg bis 300 bis 50O0C durchführt und die Temperatur in diesem Bereich stabilisiert.2. The method according to claim 1, characterized in that the ion bombardment of the metal carrier is carried out up to a temperature rise of up to 300 to 50O 0 C and the temperature is stabilized in this range. - 17 -- 17 - 109845/1847109845/1847 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man den Ionenbeschuß des Metallträgers 10 bis 30 Ilinuter» lang durchführt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the ion bombardment of the Metal carrier 10 to 30 ½ inch long. 4. Verfahren nach'Anspruch 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man die erste Kathodenzerstäubung des Edelmetalls oder Edelmetalloxids auf den Metallträger in einer Restgasatmosphäre aus reinem Argon während 30 see bis zu 5 min durchführt,4. The method nach'Anspruch 1 "to 3, characterized in that the first cathode sputtering of the noble metal or noble metal oxide on the metal carrier in a residual gas atmosphere of pure Carry out argon for up to 5 minutes for 30 seconds, 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß man die zweite Kathodenzerstäubung des Edelmetalls oder Edelmetalloxids auf den Metallträger in einer Restgasatmosphäre aus Argon und Sauerstoff bei einem Partialdruck des Sauerstoffes von 0,1-25 während 2-30 min durchführt.5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the second cathode sputtering of the noble metal or noble metal oxide on the metal carrier in a residual gas atmosphere of argon and oxygen at a partial pressure of oxygen of 0.1-25 1 ° for 2-30 min . 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß man als Metallträger Tantal, Zirkonium und/oder Titan oder Legierungen dieser Metalle verwendet.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the metal carrier Tantalum, zirconium and / or titanium or alloys of these metals are used. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß man als Edelmetall Platin, Iridium, Palladium, Ruthenium, Osmium, Rhodium oder deren Legierungen oder deren verschiedene Oxide einzeln oder im Geraisch miteinander verwendet.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the noble metal is platinum, Iridium, palladium, ruthenium, osmium, rhodium or their alloys or their various oxides individually or used together in Geraisch. 109845/1847109845/1847
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