DE2328050A1 - Elektrokatalysator - Google Patents

Elektrokatalysator

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    • Y02E60/50Fuel cells

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektrokatalysator, insbesondere für Anoden in Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten, aus wenigstens einer Verbindung aus einem Metall der Eisengruppe des Periodensystems der Elemente mit Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen oder Tellur, sowie ein Verfahren zur Herstellung .eines derartigen Elektrokatalysators.
Die Verwendung von Metallphosphiden und -disulfiden, wie PtPp, NipP und Co2P, als Elektrokatalysatoren in elektrochemischen Zellen, insbesondere in Brennstoffelementen mit alkalischem Elektrolyten, ist bereits bekannt (US-Patentschriften 3 411 953, 3 449 169, 3 4-51 852 und 3 573 988). Diese Katalysatoren sind Jedoch 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 nämüßh 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.
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Es wurden ferner bereits Metallphosphid-Katalysatoren für Elektroden, insbesondere Anoden, von elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten, vorgeschlagen, welche 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 enthalten (deutsche Patentanmeldung Akt.Z. P 22 16 192.8). Diese phosphorreiche Metallphosphide enthaltenden Elektrokatalysatoren haben sich insbesondere für die elektrochemische Oxidation von Wasserstoff als geeignet erwiesen. Derartige Katalysatoren enthaltende Elektroden können mit hohen Stromdichten belastet werden. Ein Elektrokatalysator aus dieser Reihe ist beispielsweise Kobaltphösphid CoP^. Es wurde auch gefunden, daß in diesen Verbindungen der Phosphor durch Arsen ersetzt werden kann, und daß auch derartige Verbindungen katalytisch aktiv sind, beispielsweis'e die Verbindung G0AS2· Ungünstig ist jedoch, daß bei den genannten Verbindungen der Bereich der Korrosionsbeständigkeit relativ gering ist und beispielsweise beim GoP, nur etwa 150 mV, gemessen gegen das Potential der reversiblen Yfasserstoffelektrode, beträgt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Gruppe von Elektrokatalysatoren, d.h. von Katalysatoren für Elektroden von elektrochemischen Zellen, aus wenigstens einer Verbindung aus einem Metall der Eisengruppe des Periodensystems der Elemente mit Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen oder Tellur anzugeben, durch die das Angebot an wirksamen Elektrokatalysatoren beträchtlich erweitert werden kann. Der neue Elektrokatalysator soll insbesondere die Auswahl an aktiven Anodenmaterialien bereichern, wobei als spezielle Anwendungsmöglichkeit Brennstoffelemente mit saurem Elektrolyten in Betracht kommen. Der neue Elektrokatalysator soll darüber hinaus billig sein und er soll eine hohe katalytisch^ Wirksamkeit über eine lange Zeit aufrechterhalten, d.h. er soll unempfindlich gegen Katalysatorgifte sein. Zusätzlich
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wird ein möglichst breiter Bereich der Korrosionsbeständi'gkeit angestrebt.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Metallverbindung zwei verschiedene Elemente aus der Gruppe Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen und Tellur enthält und halbleitende Eigenschaften aufweist. Unter den Metallen der Eisengruppe, die zur achten Nebengruppe des Periodensystems der Elemente zählen, werden die Metalle Eisen,
Kobalt und Nickel verstanden. Die Elemente der Gruppe P, As, Sb, Bi, S, Se und Te, welche zur 5· bzw. 6. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente zählen, werden - mit Ausnahme von S - im allgemeinen zu den Halbmetallen oder Metalloiden gerechnet.
Unter Halbleitern bzw. Verbindungen mit halbleitenden Eigenschaf ten werden im Sinne der vorliegenden Anmeldung Verbindungen verstanden, deren elektrischer Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, d.h. mit steigender Temperatur abnimmt; sie nehmen eine Mittelstellung zwischen den metallischen Leitern und den Nichtleitern (isolatoren) ein (vgl.: Gustav E.R. Schulze "Metallphysik'1, Akademie-Verlag Berlin, 1967, S. 263 ff.). Verbindungen wie CoSeTe, NiAsS und NiSeTe, welche keine halbleitenden Eigenschaften, sondern metallische Leitfähigkeit aufweisen (vgl. beispielsweise: J. Phys. Chem. Solids, Vol. 26, 1965, S. 429 bis 433), sind keine Elektrokatalysatoren, d.h. sie sind katalytisch nicht aktiv.
Der erfindungsgemäße Elektrokatalysator 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 Elektrokatalysator ist darüber hinaus in der Lage, seine Aktivität über lange Zeit aufrechtzuerhalten, und er ist relativ
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unempfindlich gegen Katalysatorgifte. Schließlich weist der Elektrokatalysator noch den Vorteil einer guten .elektronischen Leitfähigkeit auf.
Der erfindungsgemäße Elektrokatalysator 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 sauerstoff haltigen Oxidationsmitteln und einem sauren Elektrolyten. Bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff wird der erfindungsgemäße Elektrokatalysator dabei beispielsweise nicht durch das Kohlenmonoxid vergiftet, das im Wasserstoff bedingt durch dessen Herstellung durch Dampfreformierung von Alkoholen und Kohlenwasserstoffen oder durch Zersetzung
von Methanol (CH-OH ) 2 E? + CO) - enthalten sein
kann. Als organischer Brennstoff kann beispielsweise Formaldehyd verwendet werden. Ferner eignet sich der erfindungsgemäße Elektrokatalysator zur kathodischen Wasserstoffentwicklung.
Die Metallverbindungen, die im erfindungsgemäßen Elektrokatalysator enthalten sind, sind sämtlich ternärer Natur. Diese ternären Metallverbindungen können durch eine allgemeine Formel wie MXY wiedergegeben werden, wobei M das Metall der Eisengruppe bedeutet und X und Y dief zwei verschiedenen Elemente aus der Gruppe P, As, Sb, Bi, S, Se und Te wiedergeben. Die im Elektrokatalysator enthaltenen ternären Metallverbindungen können auch Metallverbindungen sein, bei denen auf ein Metallatom M zwei oder mehrere Atome der Elemente X oder Y entfallen, beispielsweise eine Verbindung wie CoPS,, d.h. Verbindungen mit der allgemeinen Formel 3Wc'
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Vorteilhaft kann der erfindungsgemäße Elektrokatalysator wenigstens eine der folgenden ternären Metallverbindungen enthalten? PePS, GoPS und CoAsS. Diese Verbindungen zeigen ihre katalytische Aktivität, insbesondere bei der elektrochemischen Oxidation von Wasserstoff bzw. Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen, bereits bei niedrigen Belegungs-
' ρ
dichten, beispielsweise etwa 200 mg/cm ,und bereits,bei Raumtemperatur (etwa 220C). Mit einer CoPS enthaltenden Elektrode erhält man beispielsweise bei der anodischen Oxidation von Wasserstoff bei 7O0C in 2,5m H2SO., einer Belegung von etwa 200 mg/cm und einer Polarisation von 200 mV, gemessen gegen das reversible Wasserstoffpotential, eine Stromdichte von über 60 mA/cm . Die mit CoPS erzielbare hohe Stromdichte bleibt auch bei Langzeitversuchen erhalten. CoPS kann ferner vorteilhaft zur anodischen Oxidation von Formaldehyd und Ameisensäure verwendet werden. Der größere Beständigkeitsbereich, etwa im Vergleich zum CoP,, der eine höhere Überspannung zuläßt, wirkt sich dabei günstig aus. Darüber hinaus ist CoPS besonders unempfindlich gegen eine Vergiftung durch CO.
Insbesondere CoPS weist den weiteren Vorteil auf, daß es trotz seiner halbleitenden Eigenschaften ein guter elektrischer Leiter ist. Pulverförmiges CoPS 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 CoPS billig in der Herstellung ist und in großen Mengen hergestellt werden kann.
Zur Erzielung einer größeren Oberfläche ist der Elektrokatalysator nach der Erfindung vorteilhaft pulverförmig, wobei dann in einer diesen Katalysator enthaltenden Elektrode das
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pulverförmige Katalysatormaterial zwischen ein im elektrolytgetränkten Zustand gasdichtes Diaphragma und ein Stützgerüst, insbesondere ein. Stütznetz, eingebaut werden kann. Ein derartiger Elektrodenaufbau ist an sich bekannt und wird im allgemeinen als "gestützte Elektrode" bezeichnet (vgl. beispielsweise: F.v.Sturm "Elektrochemische Stromerzeugung", Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstraße, 1969, Seite 109 ff.)· Das pulverförmige Katalysatormaterial weisi im allgemeinen einen Korndurchmesser zwischen 1 und 50 /u auf.
Eine den erfindungsgemäßen Elektrokatalysator enthaltende Elektrode kann ferner auch so ausgestaltet sein, daß das pulverförmige Katalysatormaterial mit einem Kunststoffbindemittel vermischt ist und dann die Teilchen des Katalysatormaterials durch das Bindemittel untereinander und gegebenenfalls mit einem im elektrolytgetränkten Zustand
gasdichten Diaphragma verbunden sind. Das Kunststoffbindemittel muß gegen die jeweilige Elektrolytflüssigkeit beständig sein. Bei der Verwendung von Schwefelsäure als Elektrolytflüssigkeit hat sich auf Grund seiner guten Eigenschaften ein Butadien-Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat als besondere vorteilhaft erwiesen. Bei der Verwendung hydrophober Bindemittel kann die Elektrode hydrophob ausgebildet werden, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn die.Elektrode bei niedrigem Druck betrieben werden soll.
Zur Herstellung der ternären Metallverbindungen für den erfindungsgemäßen Elektrokatalysator wird ein Metall der Eisengruppe oder eine Verbindung eines dieser Metalle in Pulverform bei erhöhter Temperatur mit zwei verschiedenen Elementen aus der Gruppe Phosphor, Arsen, Antimon, Wisaut, Schwefel, Selen und Tellur oder mit wenigstens einer Verbindung dieser beiden Elemente zur Reaktion gebracht. So könntn beispielsweise das Metall und die beiden Elemente aus der Gruppe P, As, Sb, Bi, S, Se und Te in Pulverform
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im entsprechenden stöchiometrischen Verhältnis in eine Ampulle eingebracht und längere Zeit auf eine Temperatur von einigen 1000C erhitzt werden. Die beiden Elemente können aber auch in Form von Verbindungen eingesetzt werden. Zur Herstellung von CoPS. können beispielsweise pulverförmiges Phosphorpentasulfid PpS,- (^zw. 1V^iη^ UBd.Köbaltpülver im stöchiometrischen Verhältnis in eine Ampulle "eingebracht und auf eine Temperatur von einigen 1000C erhitzt werden.
Bei der Herstellung der ternären Metallverbindungen sollte dafür Sorge getragen werden, daß ein Endprodukt mit einer großen Oberfläche erhalten wird. Deshalb erfolgt die Herstellung des Elektrpkatalysators insbesondere, in der Weise, daß den pulverförmigen Komponenten ein löslicher und/oder, ein im Endprodukt, verbleibender Zusatzstoff, der zur Ausbildung einer großen Oberfläche,dient, beigemischt wird. Als Zusatzstoff, der unlöslich ist und deshalb im Endprodukt verbleibt, wird vorzugsweise Aktivkohle verwendet. Als lösliche Zusatzstoffe, welche nach der Fertigstellung des Katalysators aus dem Endprodukt herausgelöst werden, eignen sich insbesondere Natriumfluorid und Kaliumcarbonat.
< - - -Der Zusatzstoff schützt das Metallpulver bzw. dessen pulverförmige Verbindung während der Reaktion mit den beiden Elementen oder deren Verbindungen vor dem Zusammensintern, wodurch Katalysatoren mit einer großen aktiven Fläche erhalten werden. Darüber hinaus wird beim Zusatz derartiger Stoffe die Reaktionszeit verkürzt. Die Zusatzstoffe sind gegenüber den Ausgangsmaterialien und den Reaktionsprodukten inert und sie weisen einen Schmelzpunkt auf, der über der Reaktionstemperatur liegt.
Besonders vorteilhaft wird bei der Herstellung der ternären Metallverbindungen für den Elektrokatalysator das Metall in Form eines Produktes verwendet, das durch.Reduktion von k tallsalzen, insbesondere durch Reduktion von Metalloxala-
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ten oder Metallcarbonaten, dargestellt wird; als Reduktionsmittel kann dabei insbesondere Wasserstoff dienen. Derartige Metalle weisen eine große Oberfläche auf und sind sehr reaktionsfähig.
Anhand einiger Figuren und Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figuren 1 bis zeigen Kennlinien von Elektroden, welche den erfindungsgemäßen Elektrokatalysator enthalten.
Beispiel 1
Zur Herstellung von pulverförmigem GoPS werden 4,24 g Co-PuIver (Korndurchmesser: etwa 1 /um) mit 4,24 g NaF-PuIver vermischt und zusammen mit 8,00 g PpS,--Pulver in eine dickwandige Quarzampulle eingebracht. Die Ampulle wird evakuiert und abgeschmolzen. In einem Rohrofen wird die Ampulle für 16 h auf eine Temperatur von 65O0C erhitzt. Nach beendeter Reaktion wird abgekühlt und die Ampulle geöffnet. Das erhaltene grauschwarze Pulver wird in destilliertes Wasser eingetragen, um das Natriumfluorid herauszulösen; dabei entwickelt sich HpS. Das Pulver wird anschließend getrocknet.Httels Debye-Seherrer-Aufnahmen wurde die Zusammensetzung des Endproduktes untersucht und festgestellt, daß CoPS vorliegt.
Das nach der beschriebenen Weise hergestellte pulverförmige CoPS wird in eine gestützte Elektrode eingebaut. Dazu wird das Katalysatormaterial in 2,5 m HpSO. suspendiert und auf Asbestpapier sedimentiert. Zur Stützung und Kontaktierung wird anschließend auf die Kataiysatorschicht ein Kohlegewebe aufgebracht. Die Katalysatorbelegung beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 200 mg/cm .
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Die Kennlinien einer derartigen Elektrode wurden in einer Halbztellenanordnung mit 2,5 m HpSO. als Elektrolytflüssigkeit gemessen. Als die Elektrode in die Elektrolytflüssigkeit eingetaucht wurde,· stellte sie ein Potential von 0,6 V, gemessen gegen die reversible E0 -Elektrode im gleichen Elektrolyten, ein. Mit einem Überdruck von 10 N/cm wurde der Elektrode dann Wasserstoff zugeführt; nach ca. 4 Minuten hatte sie das reversible Hp-Potential erreicht. Durch potentiodynamische Belastung mit langsamer Potentialgeschwindigkeit (0,4 V/min) wurden nun die Kennlinien aufgenommen. Wie der Fig. 1, die derartige Kennlinien zeigt, entnommen werden kann, erhält man bei 220C und einer
Polarisation von 200 mV eine Stromdichte von 12 mA/cm (Kurve 10). Die mit Argon anstelle von H2 aufgenommene Kurve 11 zeigt, daß bis zu einem Potential von 0,35 V keine Korrosion auftritt.
Fig. 2 zeigt bei einer Elektrolyttemperatur von 700C und sonst gleichen Bedingungen gemessene Kennlinien. Es zeigt sich, daß man mit Wasserstoff bei einer Polarisation von 200 mV eine Stromdichte von 60 mA/cm (Kurve 20) erhält, und man erkennt an Hand der mit Argon erhaltenen Kurve 21., daß der Bereich der Korrosionsbeständigkeit selbst bei einer Elektrolyttemperatur von 700C wenigstens bis zu 0,3 V reicht. Bei den Kurven 10, 11, 20 und 21 wurde der Spannungsabfall zwischen der Lugginsonde und der Arbeitsschicht der Elektrode eliminiert (IR-Kompensation).
Wie bereits ausgeführt wurde, ist es bei der technischen Anwendung von Elektrokatalysatoren oft wichtig, daß der Katalysator durch im Reaktionsgas vorhandenes Kohlenmonoxid in seiner Wirkung nicht beeinträchtigt wird. Untersuchungen an CoPS-Elektroden haben nun gezeigt, daß bei po'tentiostatischer Belastung beim Übergang von reinem Wasserstoff auf ein 2 Vol.-# CO enthaltendes Gasgemisch die Stromdichte nur
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um etwa 10 $ sinkt und daß dieser Einfluß vollständig reversibel ist, d.h. die Stromdichte beim Übergang zu reinem H2 wieder auf den ursprünglichen Wert ansteigt.
Um die katalytische Aktivität von CoPS bei der anodischen Oxidation von Formaldehyd und Ameisensäure zu, testen, wurden Kennlinien bei potentiodynamischer Belastung (Potentialgeschwindigkeit: 0,1 V/min) aufgenommen; dieae Kennlinien sind in Fig. 3 dargestellt. Die Kurven wurden mit einer
gestützten Elektrode (Belegungsdichte: 200 mg/cm ) bei 70°0 erhalten. Kurve 30 gilt für eine lösung von HOHp in 2,5 m H2SO. und Kurve 31 für eine Lösung von HCOOH in 2,5 m H3SO4; Kurve 3.2 gilt für die reine Elektrolytflüssigkeit, d.h. 2,5 m H3SO4.
Weitere Untersuchungen haben gezeigt, daß CoPS auch für die Reduktion von Sauerstoff eine katalytische Aktivität zeigt, d.h. in Kathoden von Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten als Elektrokatalysator einge&etzt werden kann. So wurde beispielsweise an einer gestützten CoPS-Elektrode mit
einer Belegungsdichte von 200 mg/cm bei einem Potential von 0,6 V in 2,5 m H2SO4 bei einer Temperatur von 22°C eine Stromdichte von -25 mA/cm gemessen (Sauerstoffdruck: 10 N/cm ). Im Dauerversuch zeigte sich jedoch, daß diese Stromdichte nur bei Raumtemperatur konstant blieb; als der Elektrolyt auf 700C erwärmt wurde, stieg die Stromdichte .zunächst an, sank dann aber infolge der Korrosion des Katalysators ab.
Beispiel 2
Zur Herstellung von pulverförmigem CoAsS werden 3,83 g Co-PuIver und 7,66 g NaF-PuIver vermischt und mit 8,00 g As3S5-PuIver in eine dickwandige Quarzampulle eingebracht. Im Rohrofen wird die Ampulle, nachdem sie evakuiert und
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abgeschmolzen wurde, 24 h lang auf 65O°C erhitzt. Nach beendeter Reaktion wird abgekühlt und die Ampulle geöffnet. Das As η S-r-Pulver ist dabei restlos umgesetzt. Mit destilliertem Wasser wird anschließend das NaF-Pulver 'herausgewäsehen, wobei etwas HoS entweicht. Die Röntgenstrukturanalyse zeigt, daß die ternäre Metallverbindung CoAsS mit kubischer Struktur entstanden ist.
Wie in Beispiel 1 wurde die Verbindung CoAsS zur elektrochemischen Untersuchung in eine gestützte Elektrode eingebaut (Belegungsdichte: 200 mg/cm ). Es zeigte sich, daß die Elektrode in 2,5 m H2SO^ als Elektrolytflüssigkeit bei 220C ein Potential von 0,66 V einstellte. Dies änderte sich
aber sehr schnell, als die Elektrode mit H2 (Druck: 12 N/cm )" versorgt wurde: Nach 2 Minuten stellte die Elektrode das reversible H2-Potential ein^ Weitere Untersuchungen ergaben, daß die Elektrode bei Raumtemperatur und einer Polarisation
von 200 mV mit einer Stromdichte von 5 mA/cm belastet werden kann.
Außer in Brennstoffelementen kann der erfindungsgemäße Elektrokatalysator 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 Wasserstoff
entwickelt wird (2 H3O + 2 e" · -4 H2 + 2 OH") ,Man
Kennt nun prinzipiell zwei Möglichkeiten eines Eingriffs.
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Einmal kann in den Akkumulator eine sogenannte ■Verzehrelektrode 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.
7 Patentansprüche
3 Figuren
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Claims (7)

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1. Elektrokatalysator, insbesondere für Anoden in Brennstoffelementen mit saurem Elektrolyten,-aus wenigstens einer Verbindung aus einem Metall der Eisengruppe des Periodensystems der Elemente mit Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen oder Tellur, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallverbindung zwei verschiedene Elemente aus der Gruppe Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen und Tellur enthält und halbleitende Eigenschaften aufweist.
2. Elektrokatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er PePS enthält.
3. Elektrokatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der CoPS enthält. :
4· Elektrokatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er CoAsS enthält.
5. Elektrokatalysator nach einem der Ansprüche 1 Ms 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatormaterial pulverförmig ist und einen Korndurchmesser zwischen 1 und 50 yu aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Elektrokatalysators nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metall der Eisengruppe oder eine Verbindung eines dieser Metalle in Pulverform bei erhöhter Temperatur mit zwei verschiedenen Elementen aus der Gruppe Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen und Tellur oder mit wenigstens einer Verbindung dieser beiden Elemente zur Reaktion gebracht wird.
7. Verfahren.nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den pulverförmigen Komponenten ein löslicher und/oder ein im Endprodukt verbleibender Zusatzstoff zur Ausbildung einer großen Oberfläche beigemischt wird.
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GB2224474A GB1421708A (en) 1973-06-01 1974-05-17 Electrodes having catalytic activity
US05/472,699 US3961987A (en) 1973-06-01 1974-05-23 Electro-catalyst and process of manufacture
FR7418677A FR2232093B1 (de) 1973-06-01 1974-05-29
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4145314A (en) * 1977-06-17 1979-03-20 Exxon Research & Engineering Co. Preparation of highly dispersed supported group viii metal catalysts and the redispersion of sintered or agglomerated supported group viii metal catalysts by the addition of phosphorus
US4359406A (en) * 1977-06-17 1982-11-16 Exxon Research And Engineering Co. Highly dispersed supported group VIII metal-phosphorus compounds, and highly dispersed, supported group VIII metal-arsenic and a process for making said compounds
JPS5455189A (en) * 1977-10-11 1979-05-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Photo transistor
US4173687A (en) * 1978-06-20 1979-11-06 Occidental Research Corporation Current generating cell with alloy anode
US4488578A (en) * 1981-05-26 1984-12-18 National Research Development Corporation Prevention of hydrogen embrittlement of metals in corrosive environments
US4419422A (en) * 1982-03-22 1983-12-06 Union Carbide Corporation Sulfide-containing cathode for nonaqueous cells
US4487818A (en) * 1982-07-19 1984-12-11 Energy Conversion Devices, Inc. Fuel cell anode based on a disordered catalytic material
EP0851222A1 (de) * 1996-12-31 1998-07-01 Corning Incorporated Kohlenwasserstoffsensor mit einem Katalysator aus Metall-Oxid-Halbleiter
US6660680B1 (en) 1997-02-24 2003-12-09 Superior Micropowders, Llc Electrocatalyst powders, methods for producing powders and devices fabricated from same
US6967183B2 (en) 1998-08-27 2005-11-22 Cabot Corporation Electrocatalyst powders, methods for producing powders and devices fabricated from same
US6911412B2 (en) 1998-02-24 2005-06-28 Cabot Corporation Composite particles for electrocatalytic applications
US6753108B1 (en) * 1998-02-24 2004-06-22 Superior Micropowders, Llc Energy devices and methods for the fabrication of energy devices
AU2001269765A1 (en) * 2000-06-08 2001-12-17 Superior Micropowders Llc Electrocatalyst powders, methods for producing powders and devices fabricated from same
US6998188B2 (en) * 2002-02-19 2006-02-14 Petillo Phillip J Fuel cell components
JP3996861B2 (ja) * 2002-05-29 2007-10-24 京セラ株式会社 燃料電池セル及び燃料電池
KR101309158B1 (ko) * 2006-03-31 2013-09-17 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 애노드 전극, 이를 포함하는 막-전극 어셈블리및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
WO2009154753A2 (en) * 2008-06-18 2009-12-23 Massachusetts Institute Of Technology Catalytic materials, electrodes, and systems for water electrolysis and other electrochemical techniques
US20170044679A1 (en) * 2015-08-11 2017-02-16 Wisconsin Alumni Research Foundation High performance earth-abundant electrocatalysts for hydrogen evolution reaction and other reactions
US11413611B2 (en) * 2019-12-09 2022-08-16 King Fahd University Of Petroleum And Minerals Molybdenum sulfide nanosheets decorated with iron phosphide for hydrogen gas evolution
CN112921336B (zh) * 2020-12-30 2022-02-18 河南科技大学 一种异质结构负载自支撑催化电极的制备方法
CN114934293B (zh) * 2022-05-27 2024-02-27 河南科技大学 一种CoPS/黑磷烯垂直异质结构材料的制备方法、CoPS/黑磷烯复合材料及应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1128024A (en) * 1964-11-26 1968-09-25 Yuasa Battery Co Ltd Improved fuel cell
US3451852A (en) * 1966-01-25 1969-06-24 Chevron Res Method of producing electricity in a fuel cell using a hydrazine fuel and group 8 metal phosphides as catalysts
US3531329A (en) * 1966-11-07 1970-09-29 Gulf Research Development Co Fuel cell anode composition and method of preparation
US3573988A (en) * 1968-12-23 1971-04-06 Gen Electric Electrode comprising non-noble metal disulfides or phosphides and electrochemical cell utilizing same

Also Published As

Publication number Publication date
JPS5721837B2 (de) 1982-05-10
FR2232093B1 (de) 1979-01-26
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CA1006572A (en) 1977-03-08
GB1421708A (en) 1976-01-21
US3961987A (en) 1976-06-08
FR2232093A1 (de) 1974-12-27
DE2328050B2 (de) 1978-02-02
JPS5021238A (de) 1975-03-06

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