DE2216192A1 - METAL PHOSPHIDE CATALYST FOR ELECTRODES OF ELECTROCHEMICAL CELLS - Google Patents

METAL PHOSPHIDE CATALYST FOR ELECTRODES OF ELECTROCHEMICAL CELLS

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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, den 30.3-1972 Berlin und München Werner-von-Siemens-3tr.50SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen, March 30, 1972 Berlin and Munich Werner-von-Siemens-3tr.50

Unser Zeichen: 2216192 VPA 72/7525 Bh/KoeOur reference: 2216192 VPA 72/7525 Bh / Koe

Metallphosphid-Katalysator für Elektroden von elektrochemischen ZellenMetal phosphide catalyst for electrodes of electrochemical cells

Die Erfindung betrifft einen Metallphosphid-Katalysator für Elektroden, insbesondere Anoden, von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Katalysators.The invention relates to a metal phosphide catalyst for electrodes, in particular anodes, of electrochemical cells, in particular fuel elements with acidic electrolytes, and a method for producing this catalyst.

Es ist bereits bekannt, in Elektroden für elektrochemische Zellen Phosphide und Disulfide der zur IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente gehörenden Metalle Molybdän, Wolfram, Zirkonium, Mob, Hafnium und Tantal zu verwenden (US-Patentschrift 3 573 988). Die Elektroden, in denen die Partikel der genannten Materialien durch ein Bindemittel zusammengehalten werden, dienen als Kathoden in elektrochemischen Zellen mit alkalischem Elektrolyten.It is already known, in electrodes for electrochemical cells, phosphides and disulfides of the IV. To VI. Subgroup of the periodic table of the elements belonging to metals molybdenum, tungsten, zirconium, mob, hafnium and tantalum use (U.S. Patent 3,573,988). The electrodes in which the particles of said materials are bound by a binder are held together, serve as cathodes in electrochemical cells with alkaline electrolytes.

Aus der US-Patentschrift 3 411 953 ist es bekannt, in Brennstoffzellen mit alkalischem Elektrolyten - neben Nickel eine Nickel-Phosphor-Legierung als Katalysatormaterial für die Anode zu verwenden. Der Phosphorgehalt des Katalysatormaterials ist dabei sehr gering, er liegt im Bereich zwischen 4 und 6 io. Weiterhin ist es bekannt, in Brennstoffzellen, insbesondere mit alkalischem Elektrolyten, zur Oxidation von Hydrazin Anoden zu verwenden, die Nickel- oder Kobaltphosphid als Katalysator aufweisen (US-Patentschrift 3 451 852). Das stöchiometrische Verhältnis zwischen Metall und Phosphor beträgt dabei 2:1, d.h. es liegt Ni2P bzw. Co2P vor.From US Pat. No. 3,411,953 it is known to use a nickel-phosphorus alloy as a catalyst material for the anode in addition to nickel in fuel cells with alkaline electrolytes. The phosphorus content of the catalyst material is very low, it is in the range between 4 and 6 io. It is also known to use anodes which have nickel or cobalt phosphide as a catalyst in fuel cells, in particular with alkaline electrolytes, for the oxidation of hydrazine (US Pat. No. 3,451,852). The stoichiometric ratio between metal and phosphorus is 2: 1, ie Ni 2 P or Co 2 P is present.

Aus der US-Patentschrift 3 449 169 ist es bekannt, in Brennstoffzellen Platinphosphid PtPp als Elektrokatalysator zu verwenden. Elektroden mit diesem Katalysator können sowohl zur anodischen Oxidation von Brennstoffen als auch zurIt is known from US Pat. No. 3,449,169, in fuel cells To use platinum phosphide PtPp as an electrocatalyst. Electrodes with this catalyst can do both for anodic oxidation of fuels as well as for

- 2 309841/1032 - 2 309841/1032

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kathodischen Reduktion von Sauerstoff dienen; der in der Brennstoffzelle verwendete Elektrolyt kann sauer oder alkalisch sein.serve cathodic reduction of oxygen; the electrolyte used in the fuel cell can be acidic or be alkaline.

Die genannten Katalysatoren sind in verschiedener Hinsicht noch nicht zufriedenstellend. Die Verwendung von teuren Metallen, wie Platin in PtP2, steht dem wirtschaftlichen Einsatz von elektrochemischen Zellen, wie Brennstoffelementen, entgegen. Die natürlichen Vorkommen von Platin sind darüber hinaus begrenzt. Andererseits besteht insbesondere ein großes Bedürfnis an Katalysatoren, die in elektrochemischen Zellen mit sauren Elektrolyten eingesetzt werden können und dabei wiederum an Katalysatoren für die Anode. Die Katalysatoren sollten darüber hinaus ein breites Spektrum der Anwendungsmöglichkeiten aufweisen. Untersuchungen haben nämlich beispielsweise gezeigt, daß das zur anodischen Oxidation von Hydrazin bekannte Nickel- bzw. Kobaltphosphid (Ni2P und Co2P) korrodiert und deshalb für die Oxidation von Wasserstoff in· Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten ungeeignet ist.The catalysts mentioned are not yet satisfactory in various respects. The use of expensive metals, such as platinum in PtP 2 , is contrary to the economic use of electrochemical cells, such as fuel elements. The natural occurrences of platinum are also limited. On the other hand, there is in particular a great need for catalysts that can be used in electrochemical cells with acidic electrolytes and, in turn, for catalysts for the anode. In addition, the catalysts should have a wide range of possible uses. Investigations have shown, for example, that the nickel or cobalt phosphide (Ni 2 P and Co 2 P) known for the anodic oxidation of hydrazine corrodes and is therefore unsuitable for the oxidation of hydrogen in fuel elements with acidic electrolytes.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen Metallphosphid-Katalysator für Elektroden von elektrochemischen Zellen anzugeben, durch den das Angebot an wirksamen Elektrokatalysatoren beträchtlich erweitert werden kann. Der neue Metallphosphid-Katalysator soll insbesondere die Auswahl an aktiven Anodenmaterialien bereichern, wobei als spezielle Anwendungsmöglichkeit Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten in Betracht kommen. Der neue Katalysator soll darüber hinaus "billig sein und er soll eine hohe katalytische Wirksamkeit über eine lange Zeit aufrechterhalten, d.h. er soll beständig und zusätzlich unempfindlich gegen Katalysatorgifte sein.The object of the invention is to provide a new metal phosphide catalyst for electrodes of electrochemical cells, through which the supply of effective electrocatalysts can be expanded considerably. The new metal phosphide catalyst aims in particular to increase the selection of active Enrich anode materials, with fuel elements with acidic electrolytes in Come into consideration. The new catalyst should also "be cheap and it should have a high catalytic efficiency Maintained over a long period of time, i.e. it should be stable and also insensitive to catalyst poisons.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Katalysator wenigstens ein Metallphosphid eines oder mehrerer der Metalle der ersten und siebten Nebengruppe sowie der Metalle der Eisengruppe des Periodensystems der Elemente mit einemThis is achieved according to the invention in that the catalyst is at least one metal phosphide or one or more of the Metals of the first and seventh subgroups as well as the metals of the iron group of the periodic table of the elements with a

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Phosphorgehalt des Metallphosphids von wenigstens 1 Atom Phosphor pro Metallatom enthält. Unter den Metallen der Eisengruppe, die zur achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente zählen, werden die Metalle Eisen, Kobalt und Nickel verstanden.Contains phosphorus content of the metal phosphide of at least 1 atom of phosphorus per metal atom. Among the metals of Iron group, which belong to the eighth subgroup of the periodic table of the elements, are the metals iron, cobalt and Understood nickel.

Der Metallphosphid-Katalysator nach der Erfindung erfüllt die an Elektrokatalysatoren im allgemeinen gestellten Forderungen in außerordentlich hohem Maße und er weist insbesondere auch alle speziell geforderten Eigenschaften auf. Er zeigt eine hohe Aktivität, insbesondere für die anodische Oxidation, und ist außerordentlich korrosionsbeständig, vor allem auch im sauren Medium was durchaus als überraschend und als nicht voraussehbar bezeichnet werden muß. Der erfindungsgemäße Katalysator ist darüber hinaus in der Lage, seine Aktivität über lange Zeit aufrechtzuerhalten, und er ist relativ unempfindlich gegen Katalysatorgifte. Schließlich weist der Katalysator noch den Vorteil einer guten elektronischen Leitfähigkeit auf.The metal phosphide catalyst according to the invention meets the requirements placed on electrocatalysts in general to an extraordinarily high degree and, in particular, it also has all the specially required properties. He shows one high activity, especially for anodic oxidation, and is extremely corrosion-resistant, especially in the acidic medium was both surprising and not must be designated predictably. The catalyst according to the invention is also able to maintain its activity for a long time and is relatively insensitive against catalyst poisons. Finally, the catalyst points still has the advantage of good electronic conductivity.

Der erfindungsgemäße Katalysator eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffelement mit einer diesen Katalysator enthaltenden Anode für die elektrochemische Umsetzung von Wasserstoff, wasserstoffhaltigen Verbindungen oder organischen Brennstoffen, einer Kathode zur elektrochemischen Umsetzung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Oxidationsmitteln, und einem sauren Elektrolyten. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wird der erfindungsgemäße ■ Metallphosphid-Katalysator dabei beispielsweise nicht durch das Kohlenmonoxid vergiftet, das im Wasserstoff- bedingt durch dessen Herstellung durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen oder durch Zersetzung von Methanol (CIUOH -. ^The catalyst according to the invention is particularly suitable for use in a fuel element with an anode containing this catalyst for the electrochemical conversion of hydrogen, hydrogen-containing compounds or organic fuels, a cathode for the electrochemical conversion of oxygen or oxygen-containing oxidizing agents, and an acidic electrolyte. When using hydrogen as fuel, the metal phosphide catalyst according to the invention is not poisoned by the carbon monoxide that is present in the hydrogen as a result of its production by reforming hydrocarbons or by decomposing methanol (CIUOH -. ^

2 Hp+OO) - enthalten sein kann. Als organischer Brennstoff kann beispielsweise Formaldehyd verwendet werden.2 Hp + OO) - may be included. As an organic fuel For example, formaldehyde can be used.

- 4 3 0 9 8 4 1/1 032- 4 3 0 9 8 4 1/1 032

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Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Katalysator wenigstens eines der folgenden Metallphosphide enthalten: Kupferphosphid , G-oldphosphid Au2P,, Manganphosphid MnP,, Eisenphosphid bzw. FeP, Kobaltphosphid GoP, bzw. GoP und Nickelphosphid NiP, bzw. NiPp. Sämtliche dieser Phosphide weisen einen relativ hohen Phosphorgehalt auf; der Phosphorgehalt in den Nickelphosphiden beispielsweise beträgt etwa 50 (NiPp) bzw. etwa 60 <fo (NiP,). Die Metallphosphide aus der obengenannten Reihe zeigen bei der Verwendung als Anodenmaterialien in Brennstoffzellen mit saurem Elektrolyten vorteilhafte Wirkungen und dabei insbesondere bei der elektrochemischen Oxidation von Wasserstoff bzw. Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen. Die genannten Phosphide zeigen ihre katalytische Aktivität bereits bei niedrigen Belegungsdichten, beispielsweise etwa 100 mg/cm , und bereits bei Raumtemperatur (etwa 220C). Besonders vorteilhaft kann CoP, verwendet werden. Mit einer d'iesen Elektrokatalysator enthaltenden Elektrode erhält man beispielsweise bei der anodischen Oxidation von Wasserstoff bei 70 C in 2,5 m HpSO., einer Belegung von etwa 200 mg/cm und einer Polarisation von 100 mV, gemessen gegen das reversible Wasserstoffpotential, eine Stromdichte von über 180 mA/cm . Die mit CoP, erzielbare hohe Stromdichte bleibt auch bei Langzeitversuchen erhalten: Eine Stromdichte von 50 mA/cm (bei 7O0C und 2,5 m H2SO.) beispielsweise kann im Dauerversuch über eine Zeit von 1 000 Stunden aufrechterhalten werden. CoP, kann ferner vorteilhaft zur anodischen Oxidation von Formaldehyd verwendet werden. Darüber hinaus ist CoP, besonders unempfindlich gegen eine Vergiftung durch CO. Insbesondere GoP, weist den weiteren Vorteil auf, daß es ein guter elektrischer Leiter ist. Pulverförmiges CoP, zeigt bereits bei Raumtemperatur eine gute elektrische Leitfähigkeit, so daß bei seiner Verwendung in Elektroden auf ein zusätzliches elektrisch leitendes Trägermaterial verzichtet werden kann; ein derartiges Trägermaterial ist beispielsweise bei anderen Elektrodenmaterialien wie Molybdändisulfid (MoS2) erforderlich. Dazu kommt noch, daß CoP, billig in der Herstellung ist und in großen Mengen hergestellt werden kann.The catalyst according to the invention can advantageously contain at least one of the following metal phosphides: copper phosphide, gold phosphide Au 2 P, manganese phosphide MnP, iron phosphide or FeP, cobalt phosphide GoP or GoP and nickel phosphide NiP or NiPp. All of these phosphides have a relatively high phosphorus content; the phosphorus content in the nickel phosphides, for example, is about 50 i '(nip) or about 60 <fo (NiP). The metal phosphides from the above series show advantageous effects when used as anode materials in fuel cells with acidic electrolytes, and in particular in the electrochemical oxidation of hydrogen or hydrogen-containing gas mixtures. The phosphides mentioned show their catalytic activity even at low occupancy densities, for example about 100 mg / cm, and even at room temperature (about 22 ° C.). CoP can be used particularly advantageously. With an electrode containing this electrocatalyst, for example, in the anodic oxidation of hydrogen at 70 C in 2.5 m HpSO., An occupancy of about 200 mg / cm and a polarization of 100 mV, measured against the reversible hydrogen potential, a Current density greater than 180 mA / cm. With CoP, recoverable high current density is also maintained in long-term experiments: A current density of 50 mA / cm (at 7O 0 C and 2.5 M H 2 SO.), For example, can be maintained in the endurance test over a period of 1 000 hours. CoP can also be used advantageously for the anodic oxidation of formaldehyde. In addition, CoP is particularly insensitive to poisoning by CO. GoP, in particular, has the further advantage that it is a good electrical conductor. Powdery CoP shows good electrical conductivity even at room temperature, so that when it is used in electrodes there is no need for an additional electrically conductive carrier material; Such a carrier material is required, for example, for other electrode materials such as molybdenum disulfide (MoS 2 ). In addition, CoP is cheap to manufacture and can be made in large quantities.

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Der erfindungsgemäße Metallphosphid-Katalysator kann vorteilhaft wenigstens zwei verschiedene Metalle enthalten. Dies ist so zu verstehen, daß in einem Metallphosphidgitter das Metall, beispielsweise Kupfer oder Eisen, teilweise durch wenigstens ein anderes Metall, wie Kobalt, ersetzt ist. Es liegt dabei demnach nicht ein Gemisch von zwei oder mehreren Metallphosphiden vor, sondern ein Metallphosphid, das zwei oder mehrere Metalle enthält. Ein derartiger Katalysator weist weiter verbesserte Eigenschaften, beispielsweise eine gesteigerte Aktivität,auf, da sich die Wirksamkeit der einzelnen Metalle überlagert.The metal phosphide catalyst according to the invention can advantageously contain at least two different metals. this is to be understood that in a metal phosphide lattice the metal, for example copper or iron, partially through at least one other metal, such as cobalt, is replaced. It is therefore not a mixture of two or more Metal phosphides before, but a metal phosphide that has two or contains more metals. Such a catalyst has further improved properties, for example one increased activity, as the effectiveness of the superimposed on individual metals.

Der Metallphosphid-Katalysator nach der Erfindung kann vorteilhaft pulverförmig sein, wobei dann in einer diesen Katalysator enthaltenden Elektrode das pulverförmige Katalysatormaterial vorteilhaft zwischen ein im elektrolytgetränkten Zustand gasdichtes Diaphragma und ein Stützgerüst, insbesondere ein Stütznetz, eingebaut ist. Sin derartiger Blektrodenaufbau ist an sich bekannt und wird in allgemeinen als "gestützte Elektrode" bezeichnet (vgl. beispielsweise: F.v.Sturm, "Elektrochemische Stromerzeugung", Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstr., 1969, Seite 109 ff.). Bei pulverförmigem Katalysatormaterial haben sich insbesondere Pulver mit Korndurchmessern zwischen 2 und 50 /u als geeignet erwiesen.The metal phosphide catalyst of the invention can be advantageous be powdery, the powdery catalyst material then in an electrode containing this catalyst advantageously between a diaphragm, which is gas-tight in the electrolyte-soaked state, and a support structure, in particular a support net is built in. Sin such a lead electrode structure is known per se and is generally referred to as "supported electrode" (see for example: F.v.Sturm, "Electrochemical power generation", Verlag Chemie GmbH, Weinheim / Bergstr., 1969, page 109 ff.). With powdery Catalyst material, in particular, powders with grain diameters between 2 and 50 / u have proven to be suitable.

Eine einen erfindungsgemäßen Metallphosphid-Katalysator enthaltende Elektrode kann ferner vorteilhaft auch so ausgestaltet sein, daß das pulverförmige Katalysatormaterial mit einem Kunststoffbindemittel vermischt ist und dann die Teilchen des Katalysatormaterials durch das Bindemittel untereinander undOne containing a metal phosphide catalyst according to the invention Electrode can also advantageously be designed so that the powdery catalyst material with a Plastic binder is mixed and then the particles of the Catalyst material through the binder with each other and

gegebenenfalls mit einem im elektrolytgetränkten Zustand gasdichten Diaphragma verbunden sind. Das Kunststoffbindemittel muß gegen die Jeweilige ElektrolytflüQsigteeit beständig sein. Bei der Verwendung von Schwefelsäure ^ls Elektrolytflüssigkeit hat sich ein Butadien-Styrol-Aerylnittfil-Copolynierisat als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei däjr Verwendung hydrophoberif necessary, seal with an electrolyte-impregnated state Diaphragm are connected. The plastic binder must be resistant to the respective electrolyte liquid. When using sulfuric acid ^ as electrolyte liquid has a butadiene-styrene-Aerylnittfil-Copolynierisat as proved particularly advantageous. When used, hydrophobic

- 6 309841/10 32- 6 309841/10 32

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Bindemittel kann die Elektrode hydrophob ausgebildet werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die Elektrode bei niedrigem Druck betrieben werden soll.Binder, the electrode can be made hydrophobic, which is particularly advantageous when the electrode is to be operated at low pressure.

Zusätzlich zum Metallphosphid kann der Katalysator nach der Erfindung vorteilhaft weitere katalytisch aktive Substanzen enthalten. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn derartige Elektrokatalysatoren enthaltende Elektroden für spezielle Zwecke Verwendung finden. Als zusätzliche katalytisch aktive Substanzen haben sich insbesondere organische Halbleiter, Wolframcarbid, beispielsweise in Form von Silber enthaltendem Wolframcarbid, und die Platinmetalle erwiesen. Unter den Platinmetallen werden die Elemente Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmi .um, Iridium und Platin verstanden. Als organische Halbleiter sind beispielsweise polymere metallhaltige und metallfreie Phthalocyanine besonders gut geeignet (vgl. US-Patentschrift 3 585 079).In addition to the metal phosphide, the catalyst according to the invention can advantageously contain further catalytically active substances contain. This is particularly advantageous when electrodes containing such electrocatalysts are used for special Purposes. Organic semiconductors in particular have proven to be additional catalytically active substances, Tungsten carbide, for example in the form of silver-containing tungsten carbide, and the platinum metals have proven. Under the Platinum metals are understood to be the elements ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and platinum. As organic For example, semiconductors are particularly well suited to polymeric metal-containing and metal-free phthalocyanines (cf. US patent specification 3,585,079).

Schließlich kann der Metallphosphid-Katalysator nach der Erfindung auch zusätzlich ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial enthalten. Durch das Trägermaterial wird die Leitfähigkeit des Katalysators verbessert und der Widerstand bei der Stromabnahme vermindert. Als Trägermaterialien können Carbide, Nitride, Boride und Silicide der Metalle der IV. bis VI. Nebengruppe des Periodensystems der Elemente sowie Gold, Silber und Kohlenstoff verwendet werden.Finally, the metal phosphide catalyst can after Invention also additionally contain an electrically conductive carrier material. The carrier material makes the conductivity of the catalyst is improved and the resistance to current draw is reduced. Can be used as carrier materials Carbides, nitrides, borides and silicides of metals from IV. To VI. Subgroup of the periodic table of the elements and gold, Silver and carbon are used.

Zur Herstellung der Metallphosphide können beispielsweise pulverförmiger Phosphor und pulverförmiges Metall im entsprechenden stöchiometrischen Verhältnis in eine Ampulle eingebracht und längere Zeit auf eine Temperatur von einigen 1000C erhitzt werden. Vorteilhaft wird bei der Herstellung der Metallphosphide dafür Sorge getragen, daß ein Endprodukt mit einer großen Oberfläche erhalten wird. Deshalb erfolgt die Herstellung des Metallphosphid-Katalysators insbesondere in ier Weise, daß ein pulverförmiges Metall oder eine Metallver-To produce the metal phosphides, for example, powdery phosphorus and powdery metal can be introduced into an ampoule in the appropriate stoichiometric ratio and heated to a temperature of a few 100 ° C. for a longer period of time. In the production of the metal phosphides, care is advantageously taken that an end product with a large surface area is obtained. Therefore, the production of the metal phosphide catalyst takes place in particular in ier way that a powdery metal or a metal compound

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bindung bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines im Endprodukt verbleibenden Zusatzstoffes, der zur Ausbildung einer großen Oberfläche dient, mit Phosphor zur Reaktion gebracht wird. Als Zusatzstoff, der unlöslich ist und deshalb im Endprodukt verbleibt, wird vorzugsweise Aktivkohle verwendet.bond at elevated temperature in the presence of an additive remaining in the end product, which is responsible for the formation of a large surface area, is reacted with phosphorus. As an additive that is insoluble and therefore im If the end product remains, activated carbon is preferably used.

Der Zusatzstoff schützt das Metallpulver bzw» die pulverförmige Metallverbindung während der Phosphidierung vor dem Zusammensintern, wodurch Katalysatoren mit einer großen aktiven Fläche erhalten werden. Darüber hinaus wird beim Zusatz derartiger Stoffe die Reaktionszeit verkürst» Die Zusatzstoffe sin'd gegenüber den Ausgangsmaterialien und den Reaktionsprodukten inert und sie weisen einen Schmelzpunkt auf, der über der Reaktionstemperatur bsi der Phosphidierung liegt.The additive protects the metal powder or the powdery Metal compound during phosphidation before sintering together, whereby catalysts with a large active area are obtained. In addition, the addition of such Substances shorten the reaction time »The additives are compared to the starting materials and the reaction products inert and they have a melting point which is above the reaction temperature bsi the phosphidation.

Zusätzlich zu einem derartigen Zusatzstoff, der im Endprodukt verbleibt, kann bei der Herstellung des Ifetallpliospliid-Katalysators ein weiterer Zusatzstoff verwendet werden, der nach der Fertigstellung des Katalysators aus diesem herausgelöst wird. Dazu eignet sicii insbesondere latriumfluorid. Die Verwendung derartiger löslicher Hilfsstoffs ist in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung "Verfahren zum Herstellen besonders feinteiliger, homogener Übergangsmetallphosphide und -chalkogenide", Akt.Z. .......... (YPA 72/7526) vorgeschlagen. Ferner besteht auch die Möglichkeit, gemäß diesem Vorschlag nur mit einem Zusatzstoff au arbeiten, der aus dem fertigen Katalysator herausgelöst wird.In addition to such an additive, which is in the final product remains, can in the preparation of the Ifetallpliospliid catalyst Another additive can be used that is dissolved out of this after the completion of the catalyst. Sicii is particularly suitable for this purpose. the Use of such soluble excipients is at the same time submitted German patent application "Process for the production of particularly finely divided, homogeneous transition metal phosphides and chalcogenides ", Akt.Z. .......... (YPA 72/7526). Furthermore, there is also the possibility according to this suggestion only work with an additive au that is dissolved out of the finished catalyst.

Besonders vorteilhaft wird bei der Herstellung' des Metallphosphid-Katalysators das Metall in Form eines Produktes verwendet, das durch Reduktion von Metallsalzen, insbesondere durch Reduktion von Metalloxalaten oder Metallcarbonaten, dargestellt wird. Als Reduktionsmittel kann dabei insbesondere Wasserstoff dienen. Darüber hinaus kann das Metallphosphid durch Reduktion geeigneter Verbindungen vorteilhaft direkt hergestellt werden, beispielsweise durch Reduktion von Metall-It is particularly advantageous in the production of the metal phosphide catalyst the metal used in the form of a product obtained by reduction of metal salts, in particular by reduction of metal oxalates or metal carbonates will. Hydrogen in particular can serve as the reducing agent. In addition, the metal phosphide are advantageously prepared directly by reducing suitable compounds, for example by reducing metal

- 8 309841/1032 - 8 309841/1032

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pyrophosphaten mit Wasserstoff. Ferner können auch aus derart hergestellten Metallphosphiden, sie sind an der Luft leicht handhabbar, durch Phosphidierung vorteilhaft Metallphosphide mit höherem Phosphorgehalt hergestellt werden, beispielsweise CoP, aus CoP.pyrophosphates with hydrogen. Furthermore, metal phosphides produced in this way can also be in the air easy to handle, metal phosphides with a higher phosphorus content can advantageously be produced by phosphidation, for example CoP, from CoP.

Die Herstellung der Metallpyrophosphate erfolgt vorzugsweise durch eine Fällungsreaktion. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, der Lösung, aus der das Metallpyrophosphat ausgefällt wird, vor der Fällung einen unlöslichen Zusatzstoff, wie Aktivkohle, zuzusetzen. Dann wird während der Kristallisation Kohlenstoff in die einzelnen Kristallite des Metallpyrophosphats eingelagert und durchdringt auch dessen Oberfläche. Während der anschließenden Reduktion entsteht dabei ein mikroporöses Material, das eine große aktive Oberfläche aufweist. Bei der anschließenden weiteren Reaktion mit Phosphor - zur Herstellung eines Metallphosphides mit einem höheren Phosphorgehalt - wird durch den Kohlenstoff eine Sinterung und damit eine Abnahme der inneren Fläche und ein Verschwinden der feinen Poren verhindert. Die Bestimmung der Oberfläche der Metallphosphide erfolgt zweckmäßigerweise nach der BET-Methode, d.h. nach der Methode von Brunauer, Emmett und Teller (vgl. beispielsweise: S.J.Gregg, K.S.W. King, "Adsorption, Surface Area and Porosity", Academic Press, London and New York, 1967,S. 35 ff.).The metal pyrophosphates are preferably produced by a precipitation reaction. It has been found to be beneficial it has been proven that the solution from which the metal pyrophosphate is precipitated contains an insoluble additive, like activated charcoal. Then, during the crystallization, carbon is converted into the individual crystallites of the Metal pyrophosphate is embedded and also penetrates its surface. During the subsequent reduction, it arises a microporous material that has a large active surface area. In the subsequent further reaction with Phosphorus - for the production of a metal phosphide with a higher phosphorus content - is sintered by the carbon and thus prevents the inner area from decreasing and the fine pores from disappearing. Determination of the surface the metal phosphides are expediently carried out according to the BET method, i.e. according to the method of Brunauer, Emmett and Teller (see, for example: S.J.Gregg, K.S.W. King, "Adsorption, Surface Area and Porosity", Academic Press, London and New York, 1967, p. 35 ff.).

Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with the aid of a few figures and exemplary embodiments.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 zwei Kennlinien einer den erfindungsgemäßen Metallphosphid-Katalysator enthaltenden Elektrode, Fig. 2 und Fig. 3 weitere Kennlinien von Elektroden mit dem erfindungsgemäßen Metallphosphid-Katalysator und Fig. 4 schematisch ein Brennstoffelement mit einer den erfindungsgemäßen Katalysator enthaltenden Elektrode.1 shows two characteristic curves of a metal phosphide catalyst according to the invention containing electrode, Fig. 2 and Fig. 3 further characteristics of electrodes with the metal phosphide catalyst according to the invention and FIG. 4 schematically a fuel element with one according to the invention Electrode containing catalyst.

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VPA 72/7525VPA 72/7525

Zunächst soll eine bevorzugte Herstellungsweise des Katalysators nach der Erfindung näher erläutert werden und zwar anhand der Herstellung eines CoP,, enthaltenden Elektrokatalysators. First of all, a preferred method of production of the catalyst according to the invention will be explained in more detail based on the production of a CoP ,, containing electrocatalyst.

Beispiel 1example 1

Zu einer Lösung von 145,5 g Kobaltnitrat Co(NO., )2 · 6 H9O (0,5 Mol)-in 0,5 1 Wasser gibt man bei einer Temperatur von etwa 20C eine Lösung von 111,5 g liatriumpyrophosphat· Na4P2O7 · 10 H2O (0,25 Mol) in 1,5 1 Wasser. Dabei fällt kristallwasserhaltiges Kobaltpyrophosphat Co2P2O7 ° aq. aus. Der Niederschlag wird solange mit Wasser gewaschen, bis das Waschwasser kein Nitrat mehr enthält, und anschließend in 300 cm Äthanol aufgeschlämmt, um das anhaftende Wasser vollständig zu entfernen. Anschließend wird abfiltriert und das erhaltene kristallwasserhaltige Kobaltpyrophosphat an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet. Die Ausbeute an COgPpCU · aq. beträgt 93,2 g.To a solution of 145.5 g cobalt nitrate Co (NO.,) 2 · 6 H 9 O (0.5 mol) -in 0.5 1 of water are added at a temperature of about 2 0 C a solution of 111.5 g lithium pyrophosphate · Na 4 P 2 O 7 · 10 H 2 O (0.25 mol) in 1.5 liters of water. In the process, cobalt pyrophosphate Co 2 P 2 O 7 ° aq. Containing water of crystallization precipitates out. The precipitate is washed with water until the wash water no longer contains any nitrate, and then slurried in 300 cm of ethanol in order to completely remove the adhering water. It is then filtered off and the cobalt pyrophosphate obtained, which contains water of crystallization, is dried in air at room temperature. The yield of COgPpCU · aq. Is 93.2 g.

30 g des auf diese Weise erhaltenen pulverförmigen Kobaltpyrophosphats werden im Wasserstoffstrom (100 l/h) bei etwa 600 G in einem Rohrofen reduziert. Die PLeduktioii dauert etwa 4 Stunden, anschließend wird abgekühlt. Man erhält auf diese Weise 14,5 g pulverförmiges Kobaltphosphid CoP.30 g of the powdery cobalt pyrophosphate obtained in this way are reduced in a hydrogen stream (100 l / h) at about 600 g in a tube furnace. The P L eduktioii lasts about 4 hours, then it is cooled. In this way 14.5 g of powdered cobalt phosphide CoP are obtained.

5,2 g dieses Kobaltphosphids werden mit 4 g Natriumfluorid NaF und anschließend mit 4 g rotem Phosphor vermischt und unter Vakuum in eine dickwandige Quarzampulle eingeschmolzen. Die Ampulle wird 14 Stunden lang auf eine Temperatur von etwa 65O0C erhitzt. Nach beendeter Reaktion wird langsam abgekühlt. Während des Abkühlens wird ein Teil der Ampulle, in der sich keine Substanz befindet, immer auf einer etwas niedrigeren Temperatur gehalten, so daß sich dort der überschüssige Phosphor ansammeln kann. Nach dem Erkalten wird aus dem Reaktionsprodukt das Natriumfluorid mit Wasser, gegebenenfalls unter 5.2 g of this cobalt phosphide are mixed with 4 g of sodium fluoride NaF and then with 4 g of red phosphorus and melted in a thick-walled quartz ampoule under vacuum. The vial is heated for 14 hours at a temperature of about 65O 0 C. After the reaction has ended, the mixture is slowly cooled. During cooling, a part of the ampoule that does not contain any substance is always kept at a slightly lower temperature so that the excess phosphorus can collect there. After cooling, the reaction product is converted into the sodium fluoride with water, optionally under

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leichtem Erwärmen, herausgelöst. Mittels Debye-Scherrer-Aufnahmen wurde das erhaltene Endprodukt untersucht und festgestellt, daß Kobaltphosphid CoP, vorliegt.slight warming, removed. Using Debye-Scherrer recordings the end product obtained was examined and it was found that cobalt phosphide CoP is present.

Das nach der beschriebenen V/eise hergestellte pulverförmige GoP, wird in eine gestützte Elektrode eingebaut. Dazu wird das Katalysatormaterial in 2,5 m H2SO. suspendiert und auf Asbestpapier sedimentiert. Zur Stützung und Kontaktierung wird anschließend auf die Katalysatorschicht ein Kohlegewebe aufgebracht. Die Katalysatorbelegung beträgt im vorliegenden Bei-The powdery GoP produced according to the described method is built into a supported electrode. For this purpose, the catalyst material is in 2.5 m H 2 SO. suspended and sedimented on asbestos paper. A carbon fabric is then applied to the catalyst layer for support and contact. The catalyst coverage in the present case is

spiel etwa 200 mg/cm . Das verwendete CoP, hatte eine BET-match about 200 mg / cm. The CoP used had a BET

p J p J

Oberfläche von 3,1 m /g, die Korngröße des CoP,-Pulvers betrug etwa 10 bis 20 /U.Surface of 3.1 m / g, the grain size of the CoP powder was about 10 to 20 / rev.

Die Kennlinie einer derartigen Elektrode wird in einer HaIbzellenanordnung mit einer Hg/HgpSO^-Elektrode als Bezugselektrode gemessen. In 2,5 m HpSO. als Elektrolytflüssigkeit erhält man bei einer Temperatur von 700C und einer Polarisation von 100 mV eine Stromdichte von 52 mA/cm .The characteristic of such an electrode is measured in a half-cell arrangement with an Hg / HgpSO ^ electrode as a reference electrode. In 2.5 m HpSO . as the electrolyte liquid, a current density of 52 mA / cm is obtained at a temperature of 70 ° C. and a polarization of 100 mV.

Die Kennlinie dieser Elektrode zeigt Kurve 10 in Pig. 1. An der Ordinate ist dabei die Stromdichte i in mA/cm aufgetragen, an der Abszisse das Potential e der Elektrode in mV, bezogen auf die Wasserstoffelektrode als Bezugselektrode. Es sei darauf hingewiesen, daß die dargestellte Kennlinie bei einem Wasserstoffdruck von nur 2 N/cm erhalten wurde. Die Kurve 11 in Fig. 1 zeigt die entsprechende Kennlinie bei einer Elektrolyttemperatur von 220C und einem Betriebsdruck von 10 N/cm . Die Stromdichte bei einer Polarisation von 100 mV liegt hier bei 10 mA/cm .The characteristic curve of this electrode shows curve 10 in Pig. 1. The current density i in mA / cm is plotted on the ordinate and the potential e of the electrode in mV, based on the hydrogen electrode as the reference electrode, on the abscissa. It should be noted that the characteristic curve shown was obtained at a hydrogen pressure of only 2 N / cm. The curve 11 in FIG. 1 shows the corresponding characteristic curve at an electrolyte temperature of 22 ° C. and an operating pressure of 10 N / cm. The current density with a polarization of 100 mV is 10 mA / cm here.

Beispiel 2Example 2

Zusätzlich zu dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren werden in die wäßrige Lösung des Kobaltnitrats - vor der Zugabe der Natriumpyrophosphat-Lösung - 29,5 g Aktivkohle unter RührenIn addition to the method described in Example 1, in the aqueous solution of cobalt nitrate - before the addition of the Sodium pyrophosphate solution - 29.5 g of activated carbon while stirring

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eingebracht. Bei der Zugabe des Hatriumpyrophosphats schlägt sich dann das Kobaltpyrophosphat auf der Aktivkohle nieder. Nach der im Beispiel 1 beschriebenen Aufarbeitung erhält man 134,4 g eines Produktes, das aus Aktivkohle und kristallwasserhaltigem Kobaltpyrophosphat besteht. Dabei enthält dieses Produkt gewichtsmäßig die gleichen Mengen an Kobalt und Aktivkohle.brought in. When adding the sodium pyrophosphate, it beats the cobalt pyrophosphate then settles on the activated carbon. After the work-up described in Example 1, one obtains 134.4 g of a product consisting of activated carbon and cobalt pyrophosphate containing water of crystallization. It contains this product has equal amounts of cobalt and activated carbon by weight.

Dieses Produkt wird entsprechend dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren - Reduktion, Zugabe von ITaF und anschließende Phosphidierung - weiterverarbeitet, wobei man einen Elektrokatalysator erhält, der aus CoP, und Aktivkohle besteht. Der CoP-z~G-ehalt des Katalysators beträgt etwa 72 $This product is made according to the procedure described in Example 1 - reduction, addition of ITaF and then Phosphidation - processed further to obtain an electrocatalyst consisting of CoP and activated carbon. Of the CoP-z ~ G content of the catalyst is about $ 72

Eine entsprechend dem Beispiel 1 mit diesem CoP^/C-Katalysator hergestellte gestützte Elektrode gibt bei 7O0C in 2,5 m H2SO. mit einer Katalysatorbelegung von 200 mg/cm und einer Polarisation von 100 mV eine Stromdichte von 104 mA/cm .A supported electrode prepared according to Example 1 with this CoP ^ / C catalyst are at 7O 0 C in 2.5 M H 2 SO. with a catalyst coverage of 200 mg / cm and a polarization of 100 mV, a current density of 104 mA / cm.

Die Kennlinie einer derartigen Elektrode zeigt Kurve 20 in Fig. 2, bei der wiederum auf der Ordinate die Stromdichte i und auf der Abszisse' das Potential ε aufgetragen ist. Die in Kurve 20 dargestellte Kennlinie wurde bei einem Wasserstoffdruck von -17,5 ΪΤ/cm aufgenommen. Eine mit dieser Elektrode bei einer Elektrolyttemperatur von 220C - unter sonst gleichen Bedingungen - aufgenommene Kennlinie zeigt Kurve 21 in Fig. 2. Die Stromdichte bei einer Polarisation von 100 mV beträgt hierbei 29 mA/cm .The characteristic of such an electrode is shown by curve 20 in FIG. 2, in which the current density i is again plotted on the ordinate and the potential ε is plotted on the abscissa '. The characteristic curve shown in curve 20 was recorded at a hydrogen pressure of -17.5 ΪΤ / cm. A characteristic curve recorded with this electrode at an electrolyte temperature of 22 ° C. - under otherwise identical conditions - shows curve 21 in FIG. 2. The current density with a polarization of 100 mV is 29 mA / cm.

Beispiel 3Example 3

Entsprechend dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren wird ein Metallphosphid-Katalysator hergestellt mit der Ausnahme, daß kein löslicher Zusatzstoff, d.h. kein Watriumfluorid, verwendet wird. Der Metallphosphid-Katalysator besteht aus CoP, und Kohle mit einem Gehalt von etwa 72 Gew.-yo CoP,,.A metal phosphide catalyst is prepared according to the procedure described in Example 2, with the exception that no soluble additive, i.e. no sodium fluoride, is used. The metal phosphide catalyst consists of CoP, and coal with a content of about 72 wt. Yo CoP ,,.

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Entsprechend der in Beispiel 1 beschriebenen Weise wird aus diesem ΟοΡ,/C-Katalysator eine gestützte Elektrode (Be]^gungsdichte 200 mg/cm ) hergestellt und in einer Halbzelle vermessen. Bei einer Polarisation von 100 mV erhält man in 2,5 m H2SO. bei 70°0 eine Stromdichte von 185 mA/cm .According to the manner described in Example 1, a supported electrode (loading density 200 mg / cm) is produced from this ΟοΡ, / C catalyst and measured in a half-cell. With a polarization of 100 mV, H 2 SO is obtained in 2.5 m. at 70 ° 0 a current density of 185 mA / cm.

Die Kennlinie dieser Elektrode ist in Fig. 3 dargestellt, bei der wiederum auf der Ordinate die Stromdichte i und auf der Abszisse das Potential 6 (gegen eine reversible Wasserstoffbezugselektrode) aufgetragen ist. Der Wasserstoffdruck betrug 10 N/cm2.The characteristic of this electrode is shown in FIG. 3, in which the current density i is again plotted on the ordinate and the potential 6 (versus a reversible hydrogen reference electrode) is plotted on the abscissa. The hydrogen pressure was 10 N / cm 2 .

Weiter verbesserte Ergebnisse bezüglich der Stromdichte können dann erwartet werden, wenn man bei der Herstellung des Katalysators eine geringere Menge an Kohle vorgibt und dafür etwas Natriumfluorid zusetzt. Aufgrund der spezifischen Herstellung bleibt dabei der Kohlenstoff in den Teilchen des Katalysatormaterials enthalten, während das NaP die Rolle des Kohlenstoffs übernimmt, der sich an der Oberfläche des Katalysatormateriali\findet. Das NaP verhhdert dabei zunächst das Zusammensintern der einzelnen Teilchen des Katalysatormaterials und gibt nach dem Herauslösen zusätzliche Oberfläche frei.Further improved results with regard to the current density can then be expected if one considers the production of the Catalyst pretends a smaller amount of coal and adds a little sodium fluoride. Due to the specific manufacture the carbon remains contained in the particles of the catalyst material, while the NaP plays the role of Carbon, which is found on the surface of the catalyst material. The NaP initially prevents the individual particles of the catalyst material from sintering together and reveals additional surface after being removed.

Pig. 4 zeigt schematisch ein Brennstoffelement mit einer den erfindungsgemäßen Metallphosphid-Katalysator enthaltenden Elektrode. Das Brennstoffelement besteht aus einem Gehäuse mit einem Elektrolytraum 31 und zwei Gasräumen 32 und 33. Zwischen dem Elektrolytraum 31 und dem einen Gasraum 32 ist eine Anode 34 angeordnet, die den Metallphosphid-Katalysator, beispielsweise GoP,, enthält. Die pulverförmige Katalysatorschicht wird durch ein als Stützgerüst dienendes Kohlegewebe 35 gegen eine als Diaphragma dienende Asbestdeckschicht 36 gedrückt, die im elektrolytgetränkten Zustand gasdicht ist. Das Kohlegewebe 35 dient gleichzeitig zur Kontaktierung und Stromabnahme. Der Elektrolytraum 31 weist ein Stützgerüst 37, beispielsweise in Form eines Polypropylen-Netzes auf. ZwischenPig. 4 shows schematically a fuel element with one containing the metal phosphide catalyst according to the invention Electrode. The fuel element consists of a housing with an electrolyte space 31 and two gas spaces 32 and 33. An anode 34 is arranged between the electrolyte space 31 and the one gas space 32, which the metal phosphide catalyst, for example GoP ,, contains. The powdery catalyst layer is supported by a carbon fabric 35 serving as a support structure against an asbestos cover layer 36 serving as a diaphragm pressed, which is gas-tight in the electrolyte-soaked state. The carbon fabric 35 serves at the same time for contacting and Power consumption. The electrolyte space 31 has a support structure 37, for example in the form of a polypropylene mesh. Between

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YPA 72/7525YPA 72/7525

dem anderen Gasraum 33 und dem Elektrolytraum 31 ist eine Kathode 38 angeordnet. Als Kathode können an sich bekannte Elektroden verwendet werden, beispielsweise ein Tantalnetz, auf das Platinschwarz als Katalysatormaterial aufgebracht 1st, oder eine Aktivkohle enthaltende Kathode. Die Kathode 38 ist vom Elektrolytraum 31 durch eine im elektrolytgetränkten Zustand gasdichte.Asbestdeckschicht 39 getrennt. Zur Kontaktierung und Stromabnahme ist die Kathode 38 auf der dem Gasraum 33 zugewandten Seite mit einem Kohlegewebe 40 versehen. Zum Betrieb des Brennstoffelementes wird dem der Anode 34 benachbarten G-asrauia 32 über eine Leitung 41 beispielsweise gasförmiger Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Dem der Kathode 38 benachbarten Gasraum 33 wird über eine Leitung 42 beispielsweise gasföraiger Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. Der Elektrolytraum 31 wird über eine Leitung 43 mit dem Elektrolyten, beispielsweise 2,5 molare Schwefelsäure (2,5 m H2SO,), versorgt. Über die Leitungen 44, 45 und 46 können die nicht verbrauchten Anteile der Reaktionsgase bzw. der Elektrolyt aus dem Brennstoffelement abgeführt werden. Der Elektrolyt kann beispielsweiseeine Betriebstemperatur von etwa 700C aufweisen.a cathode 38 is arranged in the other gas space 33 and the electrolyte space 31. Electrodes known per se can be used as the cathode, for example a tantalum mesh on which platinum black is applied as a catalyst material, or a cathode containing activated carbon. The cathode 38 is separated from the electrolyte space 31 by an asbestos cover layer 39 which is gas-tight in the electrolyte-soaked state. The cathode 38 is provided with a carbon fabric 40 on the side facing the gas space 33 for contacting and current collection. To operate the fuel element, gaseous hydrogen, for example, is supplied as fuel to the gas chamber 32 adjacent to the anode 34 via a line 41. The gas space 33 adjacent to the cathode 38 is supplied via a line 42, for example, with gaseous oxygen as an oxidizing agent. The electrolyte space 31 is supplied with the electrolyte, for example 2.5 molar sulfuric acid (2.5 m H 2 SO,) via a line 43. The unused portions of the reaction gases or the electrolyte can be discharged from the fuel element via the lines 44, 45 and 46. For example, the electrolyte can have an operating temperature of about 70 ° C.

Beispielhaft seien aus der obengenannten Gruppe der Metallphosphide noch Untersuchungen an den Phosphiden IePp und GoP erwähnt. FePp gibt bei der Oxidation von Hp bei 7O0G in 2,5 m HpSO, bei einer Polarisation von 100 mV, gemessen gegen das reversible Wasserstoffpotential, und einer BeIe-Investigations on the phosphides IePp and GoP may also be mentioned by way of example from the above-mentioned group of metal phosphides. FePp gives in the oxidation of Hp at 7O 0 G in 2.5 m HpSO, with a polarization of 100 mV, measured against the reversible hydrogen potential, and a BeI-

p pp p

gung von etwa 100 mg/cm eine Stromdichte über 15 mA/cm . PePp kann auch zur anodischen Oxidation von Formaldehyd verwendet werden. CoP gibt unter den gleichen Bedingungen, abge-supply of about 100 mg / cm a current density over 15 mA / cm. PePp can also be used for anodic oxidation of formaldehyde. CoP gives under the same conditions,

sehen von einer Belegungsdichte von 200 mg/cm ,eine Strom-see an occupancy density of 200 mg / cm, a current

dichte von etwa 30 mA/cm . Die restlichen Metallphosphid-Katalysatoren, wie CuP2, Au3P5, MnP5, FeP5 IiP5 und N wurden bisher nur bei Raumtemperatur versessen, wo die Aktivitäten, ähnlich wie bei CoP5, etwas niedriger sind. Besonders überraschend ist dabei, daß GuP2 eine Aktivität für die elektrochemische Oxidation von V/asserstoff zeigt.density of about 30 mA / cm. The remaining metal phosphide catalysts, such as CuP 2 , Au 3 P 5 , MnP 5 , FeP 5 IiP 5 and N, have so far only been used at room temperature, where the activities are somewhat lower , similar to CoP 5. It is particularly surprising that GuP 2 shows activity for the electrochemical oxidation of hydrogen.

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VPA 72/7525VPA 72/7525

-H--H-

Außer in Brennstoffzellen kann der Metallphosphid-Katalysator nach der Erfindung auch in anderen elektrochemischen Zellen - zur Elektrosynthese oder Elektrolyse - sowie in Akkumulatoren verwendet werden. Bei der Verwendung in Akkumulatoren kann der erfindungsgemäße Elektrokatalysator insbesondere als Elektrodenmaterial für Indikator- und Verzehrelektroden in gasdichten Akkumulatoren dienen. In derartigen Akkumulatoren müssen nämlich Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, daß beim Aufladen des Akkumulators infolge Überladens oder auch während der Entladung gebildete Gase einen unzulässig hohen Druck ausüben. Um dies zu erreichen, wird beispielsweise die Kapazität der positiven Elektrode größer gewählt als die der negativen Elektrode, so daß beim Überladen zunächst an der negativen Elektrode WasserstoffThe metal phosphide catalyst can be used except in fuel cells according to the invention in other electrochemical cells - for electrosynthesis or electrolysis - as well as in Accumulators are used. When used in accumulators, the electrocatalyst according to the invention can in particular serve as electrode material for indicator and consumption electrodes in gas-tight accumulators. In such Accumulators must namely be taken to prevent that when charging the battery as a result Overcharging or gases formed during discharge exert an impermissibly high pressure. To achieve this, for example, the capacity of the positive electrode is selected to be greater than that of the negative electrode, so that when Initially overcharged hydrogen on the negative electrode

entwickelt wird (2 H2O + 2 e" ^- H2 + 2 0H~). Manis developed (2H 2 O + 2 e "^ - H 2 + 2 0H ~). Man

kennt nun prinzipiell zwei Möglichkeiten eines Eingriffs. Einmal kann in den Akkumulator eine sogenannte VerzehieLektrode eingebaut werden, an der der gebildete Wasserstoff elektrochemisch umgesetzt und auf diese Weise wieder in Lösung gebracht wird. Andererseits kann man im Akkumulator eine sogenannte Indikatorelektrode verwenden, die katalytisch aktiv ist und die bei der Einwirkung von Wasserstoff das reversible Wasserstoffpotential einstellt. Dieses Potential, das gegen eine Bezugselektrode gemessen wird, kann dann als Steuersignal benutzt werden, um den Ladevorgang zu beenden. Für beide Arten der genannten Hilfselektroden, d.h. Verzehrelektroden und Indikatorelektroden, kann als Elektrodenmaterial der Metallphoaphid-Katalysator nach der Erfindung verwendet werden.now basically knows two options for an intervention. A so-called consumption electrode can be placed in the accumulator be installed, on which the hydrogen formed is converted electrochemically and brought back into solution in this way will. On the other hand, a so-called Use indicator electrode which is catalytically active and which is reversible when exposed to hydrogen Adjusts hydrogen potential. This potential, which is measured against a reference electrode, can then be used as a control signal can be used to stop charging. For both types of the named auxiliary electrodes, i.e. consumption electrodes and indicator electrodes, the metal phosphide catalyst of the invention can be used as the electrode material will.

13 Patentansprüche
4 Figuren
13 claims
4 figures

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- 15 -- 15 -

Claims (1)

YPA 72/7525YPA 72/7525 PatentansprücheClaims (Γ) Metallphosphid-Katalysator für Elektroden, insbesondere Anoden, von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten,dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens ein Metallphosphid eines oder mehrerer der Metalle der ersten und siebten Nebengruppe sowie der Metalle der Eisengruppe des Periodensystems der Elemente mit einem Phosphorgehalt des Metallphosphids von wenigstens 1 Atom Phosphor pro Metallatom enthält. (Γ) Metal phosphide catalyst for electrodes, in particular anodes, of electrochemical cells, in particular fuel elements with acidic electrolytes, characterized in that it contains at least one metal phosphide of one or more of the metals of the first and seventh subgroups and the metals of the iron group of the periodic table of elements contains a phosphorus content of the metal phosphide of at least 1 atom of phosphorus per metal atom. 2. Metallphosphid-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens eines der Metallphosphide aus der Gruppe CuP2, Au2P,, MnP,, FeP2, IeP, CoP,, CoP, NiP, und NiP2 enthält.2. Metal phosphide catalyst according to claim 1, characterized in that it contains at least one of the metal phosphides from the group CuP 2 , Au 2 P ,, MnP ,, FeP 2 , IeP, CoP ,, CoP, NiP, and NiP 2 . 3. Metallphosphid-Katalysator nach Anspruch 2, daäirch gekennzeichnet, daß er CoP, enthält.3. metal phosphide catalyst according to claim 2, characterized daäirch, that it contains CoP. 4. Metallphosphid-Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallphosphid wenigstens zwei verschiedene Metalle enthält.4. metal phosphide catalyst according to claim 1, characterized in that that the metal phosphide contains at least two different metals. 5. Metallphosphid-Katalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial pulverförmig ist.5. metal phosphide catalyst according to one of claims 1 to 4, characterized in that the catalyst material in powder form is. 6. Metallphosphid-Katalysator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Katalysatormaterial einen Korndurchmesser zwischen 2 und 50 /u aufweist.6. metal phosphide catalyst according to claim 5, characterized in that that the powdery catalyst material has a grain diameter between 2 and 50 / u. 7. Metallphosphid-Katalysator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem pulverförmigen Katalysatormaterial ein Kunststoffbindemittel beigemischt ist.7. metal phosphide catalyst according to any one of claims 5 or 6, characterized in that the powdered catalyst material a plastic binder is mixed in. 3. Metallphosphid-Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis J, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich3. Metal phosphide catalyst according to one or more of the Claims 1 to J, characterized in that it additionally 309841/1032 Λ, 309841/1032 Λ , ΊοΊο VPA 72/7525VPA 72/7525 221619? ~ 16 "221619? ~ 16 " eine weitere katalytisch aktive jubstanz, insbesondere einen organischen Halbleiter, wolframcarbid oder ein Platinmetall, enthält.another catalytically active substance, in particular an organic semiconductor, tungsten carbide or a platinum metal, contains. 9. Metallphosphid-Katalysator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial enthält.9. metal phosphide catalyst according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that it is additionally contains an electrically conductive carrier material. 10. Verfahren zur Herstellung eines Metallphosphid-Katalysators nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß ein pulverförmiges Metall oder eine Metallverbindung bei erhöhter Temperatur in Gegenwart eines im Endprodukt verbleibenden Zusatzstoffes zur Ausbildung einer großen Oberfläche, insbesondere Aktivkohle, mit Phosphor zur Reaktion gebracht wird.10. A method for producing a metal phosphide catalyst according to one or more of claims 1 to 9> characterized in that a powdered metal or a metal compound at elevated temperature in the presence of an additive remaining in the end product to form a large surface, in particular activated carbon, is made to react with phosphorus. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall durch Reduktion eines Metallsalzes, insbesondere eines Metalloxalates oder eines Metallcarbonates, dargestellt wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the metal by reduction of a metal salt, in particular a metal oxalate or a metal carbonate will. 12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch Reduktion eines Metallpyrophosphates mit Wasserstoff ein Metallphosphid dargestellt wird, das durch Phosphidierung in ein Metallphosphid mit höherem Phosphorgehalt übergeführt wird.12. The method according to claim 10, characterized in that a metal pyrophosphate is reduced with hydrogen Metal phosphide is represented by phosphidation in a metal phosphide with a higher phosphorus content is transferred. 13· Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, löslicher Zusatzstoff, insbesondere Natriumfluorid, verwendet und nach der Fertigstellung des Katalysators aus diesem herausgelöst wird.13. Method according to one of Claims 10 to 12, characterized in that that another, soluble additive, especially sodium fluoride, is used and after completion of the catalyst is dissolved out of this. 30984 1/103 230984 1/103 2
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