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Seit einiger Zeit verwendet man dimensionsstabile Elektroden für anodische und kathodische Reaktionen in Elektrolysezellen, beispielsweise bei der Herstellung von Chlor und Alkali durch Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalimetallchlorid, zur elektrolytischen Metallgewinnung aus Chlorwasserstoff- und Schwefelsäurelösungen und für andere Verfahren, bei denen ein elektrischer Strom durch einen Elektrolyten geleitet wird, um den Elektrolyten zu zersetzen, zur Durchführung organischer Oxydationen und Reduktionen oder um ein Kathodenpotential an eine gegen Korrosion zu schützende metallische Struktur anzulegen. Sie haben sich insbesondere bei Zellen mit fließender Quecksilberkathode und bei Diaphragmazellen zur Herstellung von Chlor und Alkali, bei Zellen zur elektrolytischen Metallgewinnung, in denen das reine Metall aus einer Chlorid- oder Sulfatlösung gewonnen wird, sowie beim kathodischen Schutz von Schiffsrümpfen und -konstruktionen als wertvoll erwiesen.
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Man hat dimensionsstabile Elektroden aus Ventilmetallen wie Titan, Tantal, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob und Wolfram oder aus "filmbildenden" Legierungen hergestellt, die im Betrieb eine korrosionsfeste, jedoch elektrisch nicht leitende Oxid- oder Sperrschicht ausbilden, wodurch der weitere Fluß des anodischen Stroms durch die Anoden außer bei wesentlich höherer Spannung verhindert wird, so daß sie deshalb nicht mit Erfolg als Anoden verwendet werden können. Man hat es daher als notwendig erachtet, mindestens einen Teil des Ventilmetalls, wie etwa eine Titan- oder Tantalanode mit einer leitenden Schicht eines Edelmetalls aus der Platingruppe (d. h. Platin, Palladium, Iridium, Osmium, Rhodium, Ruthenium) oder mit leitenden und katalytisch wirksamen Edelmetalloxiden als solchen oder in Mischung mit Ventilmetalloxiden oder anderen Metalloxiden zu überziehen, vergl. DD-PS 55 323.
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Diese leitenden Schichten bedecken gewöhnlich vollständig die aktiven Oberflächen der elektrisch leitenden Basis mit Ausnahme unvermeidbarer Poren durch den Überzug, wobei diese Poren jedoch durch die Bildung der oben erwähnten Sperrschicht auf der "filmbildenden" Basis verschlossen werden. Im vorliegenden Zusammenhang wird mit "filmbildendes Metall", "Ventilmetall" und "filmbildende Legierungen" ein leitendes metallisches Material bezeichnet, das in der Lage ist, unter anodischer Polarisation zu passivieren, indem es eine korrosionsresistente und elektrisch isolierende Barriereschicht von Oxiden auf dem Teil seiner Oberfläche bildet, der dem Elektrolyten ausgesetzt ist.
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Überzüge mit einem Gehalt an oder aus einem Metall der Platingruppe oder Metalloxiden der Platingruppe sind jedoch kostspielig und werden beim Elektrolyseverfahren verbraucht oder desaktiviert und deshalb sind Reaktivierungsverfahren oder neue Überzüge erforderlich, um desaktivierte Anoden zu ersetzen.
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DE-AS 12 82 004 beschreibt eine Elektrode aus einer Legierung von Wolfram und/oder Molybdän mit Metallen der Eisengruppe, wobei letztere in starken Säuren aus der Oberfläche anodisch herausgelöst sind. Die so erhaltenen Elektroden sollen sich für die kathodische Reduktion oder die anodische Abscheidung von Halogenen eignen. Gemäß den Beispielen bestehen die Elektroden nicht aus der Legierung, sondern aus einem Titanträger, auf welchen die Legierung mit Hilfe eines Plasmabrenners aufgebracht ist.
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Wesentlich ist, daß die anodische Polarisation so lange fortgesetzt wird, bis das Eisen aus der Elektrodenoberfläche herausgelöst ist und kein weiteres Eisen mehr in Lösung geht.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung dauerhafter Elektroden, die sowohl unter den in elektrolytischen Zellen als auch beim kathodischen Korrosionsschutz herrschenden Bedingungen mechanisch und chemisch resistent sind und die keine getrennt aufgebrachten leitenden Überzüge erfordern.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Anoden für die elektrolytische Herstellung von Chlor oder Sauerstoff mit einem elektrisch leitenden Kern der eine Legierung mit Titan, Zirkonium, Vanadium, Hafnium oder Silicium als filmbildendem Metall und mindestens ein Metall der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel, Rhenium, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Silber, Gold, Zinn und Blei als nichtfilmbildendes Metall sowie eine elektro-katalytisch wirksame aus Oxiden bestehende Oberfläche aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man den Kern durch Sintern einer Mischung von Pulvern der die Legierung bildenden Komponenten mit einer Siebkörnung von 0,044 bis 0,25 mm herstellt und daß man zur Bildung von Oxiden der legierten Metalle den Kern
- a) in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre 1 bis 10 Stunden lang auf 500°C bis 1200°C erhitzt und anschließend langsam abkühlt oder
- b) mit einer wässrigen Lösung von 5 bis 50 Gew. % eines Alkalimetallsalzes 1 bis 20 Stunden lang bei einer Stromdichte von 600 bis 5000 A/m² einer anodischen Polarisation unterwirft, oder
- c) in geschmolzene Alkalimetallnitrate, -persulfate, -perborate oder -pyrophosphate 1 bis 10 Stunden lang eintaucht.
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Es wurde gefunden, daß in den meisten Fällen die zu den Ventilmetallen zugesetzte Menge an Metall oder Metalloxid selbst bei einem so kleinen Wert wie 0,1 Gew. % ausreicht und so hohe Werte wie 50 Gew. % oder mehr ausmachen kann. Vorzugsweise beträgt sie 10 bis 30 Gew. % der Legierung. Zu bevorzugten erfindungsgemäßen Elektrodenausführungen gehören Elektroden aus Titan oder einem der anderen filmbildenden Metalle mit 1 bis 50 Gew. % Nickel oder Kobalt.
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Bevorzugt werden die Anoden vor dem Aktivierungsverfahren gereinigt. Dies kann durch Sandstrahlen oder durch leichtes Anätzen in Salzsäure während 5 bis 45 min., gefolgt durch Waschen mit destilliertem Wasser oder durch andere Reinigungsverfahren erreicht werden.
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Ein Verfahren zur Aktivierung der Elektrode besteht darin, daß man die Elektrode 1 bis 10 Stunden lang in ein geschmolzenes Salz bei einer Temperatur, die etwas höher als der Schmelzpunkt des jeweiligen Salzes liegt, eintaucht. Diese Salze sind anorganische oxidierende Alkalimetallsalze oder Mischungen davon, wie Natriumnitrat, Kaliumpersulfat, Kaliumpyrophosphat oder Natriumperborat.
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Ein weiteres Verfahren zur Aktivierung der Elektroden ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektroden 1 bis 10 Stunden lang in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre auf eine Temperatur von 500°C bis 1200°C erhitzt und gegebenenfalls die Elektroden 1 bis 10 Stunden lang bei dieser Temperatur in einer inerten Atmosphäre, wie Stickstoff oder Argon, hält. Bevorzugt werden die Elektroden langsam mit einer Geschwindigkeit von 10°C bis 80°C pro Stunde, gewöhnlich in einer inerten Atmosphäre, abgekühlt.
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Ein drittes Verfahren zur Aktivierung der Elektroden besteht darin, daß man die Elektrode in einer wässrigen Alkali-Lösung bei einer Stromdichte von 600 bis 5000 A/m², vorzugsweise von 600-3000 A/m², bei vorzugsweise 30°C bis 50°C 1 bis 10 Stunden lang anodisch polarisiert.
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Die erfindungsgemäßen Aktivierungsverfahren scheinen die Bildung gemischter Kristalle oder einer zusammengesetzten Kristallschicht von Oxiden der die äußere Oberfläche der Legierungselektroden bildenden Metalle zu fördern, wobei die Schicht die gesamte Oberfläche der Elektroden bedeckt und, soweit Messungen vorgenommen wurden, eine Dicke von 1 bis 30 µm aufweist. Die Oxidschicht kann jedoch auch nur einen Teil des Elektrodenmetalls bedecken.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Anoden vertragen die Betriebsbedingungen bei handelsüblichen Elektrolysezellen zur Herstellung von Chlor genauso wie Ventilmetall-Anoden, die nach dem Stand der Technik mit einer aktiven Schicht eines Metalls der Platingruppe oder einem Oxid eines Metalls der Platingruppe überzogen sind und sie funktionieren beim kathodischen Schutz genauso wie Titananoden, die gemäß dem Stand der Technik mit einer aktiven Schicht überzogen sind.
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Die erfindungsgemäßen Elektroden sind insbesondere bei der Gewinnung verschiedener Metalle brauchbar, da sie an das elektrolytische Bad keine Verunreinigungen abgeben, die sich zusammen mit den gewonnenen Metallen auf der Kathode ablagern würden, wie dies beispielsweise Antimon und Wismut enthaltende Bleianoden tun, wodurch unreine kathodisch raffinierte Metalle erhalten werden. Darüberhinaus lassen ihre Resistenz gegen saure Lösungen und Sauerstoffentwicklung und ihr geringes Anodenpotential die Elektroden für diese Verwendung wünschenswert erscheinen.
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Die Aktivierungsschicht wird aus der Legierung an der Oberfläche der Elektrode gebildet, ohne daß eine getrennte Überzugsschicht aufgebracht werden muß und ist daher billiger in der Herstellung, haftet fester an der Oberfläche der Elektrode und wird leichter wieder hergestellt (reaktiviert), falls dies nach Gebrauch nötig ist, als die getrennt aufgebrachten Überzüge gemäß dem Stand der Technik; darüber hinaus ist bei manchen Verwendungen (beispielsweise Sauerstoffentwicklung) die Aktivierungsschicht selbst-regenerierend und regeneriert sich im Betrieb, wobei preisgünstige Anoden mit langer Lebensdauer erhalten werden, die insbesondere bei der elektrolytischen Gewinnung von Metall gebraucht werden, ohne daß das Metall bei der Gewinnung verunreinigt wird.
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Unter dem Wort "Legierung" oder "legiert" werden im Rahmen dieser Erfindung echte feste Lösungen eines oder mehrerer Metalle im Kristallgitter eines anderen Metalls oder intermetallische Verbindungen, Oxide und Metallate, sowie "Mischungen" dieser Metalle, Oxide, intermetallischen Verbindungen und Metallate verstanden, wobei der Lösungsgrad unvollständig und sogar ziemlich klein ist, z. B. wenn die "Legierung" durch Sintern einer Mischung von Metallen, Metalloxiden, intermetallischen Verbindungen oder Metallate erhalten wurde.
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In den folgenden Beispielen werden mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, um die Erfindung zu erläutern. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Beispiel 1
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Gesinterte Materialien, die man aus einer Pulvermischung der in Tabelle I angegebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße zwischen 0,044 mm und 0,25 mm erhält, werden durch Eintauchen der Testabschnitte in ein Bad von geschmolzenem Kaliumpersulfat während 5 Stunden voraktiviert. Sie werden dann als Anoden zur Elektrolyse einer gesättigten wässrigen Natriumchloridlösung bei 60°C mit einer Stromdichte von 5 kA/m² untersucht.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle I &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;ta1,6:22:1,6:6:10:14:18:22:32:22:27:32:37,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Zusammensetzung des gesinterten Materials,&udf50;Gewichts-%\ Ti\ Co\ Ni\ TiOÊ\ RuOÊ\ Anodenpotential V (NHE)\ Anfangswert\ nach 10 Tagen\ Gewichtsverlust in&udf50;mg/cm¥&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta1,6:6:10:14:18:22:27:32:37,6&udf54;\93\ 0\ 3\ 4\ 0\ 2,9\ 3,3\ 10&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 2\ 4\ 1\ 1,70\ 1,75\ Æ2,0&udf53;tz&udf54; \93\ 1\ 1\ 4\ 1\ 1,68\ 1,70\ Æ1,0&udf53;tz&udf54; \90\ 3\ 3\ 3\ 1\ 1,65\ 1,69\ Æ1,0&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Die Gegenwart von RuO&sub2; verbessert die katalytische Aktivität bezüglich der Chlorentwicklung erheblich und der Metallgewichstverlust wird beträchtlich vermindert. Zugabe von Kobalt und Nickel verbessert das Verhalten der Anoden noch mehr.
Beispiel 2
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Gesinterte Materialien, die man aus einer Pulvermischung der in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße von 0,044 mm bis 0,25 mm erhält, werden durch anodische Polarisierung in einer 10 Gew.-%igen Natriumhydroxidlösung bei einer Stromdichte von 3 kA/m² während 10 Stunden voraktiviert. Die Testabschnitte werden dann als Anoden zur Elektrolyse einer wässrigen gesättigten Natriumchloridlösung bei 60°C mit einer Stromdichte von kA/m² untersucht.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle II &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;ta1,6:22:1,6:5:8,6:12:15,6:18,6:22:32:22:27:32:37,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Zusammensetzung des gesinterten Materials,&udf50;Gewichts-%\ Ti\ Co\ Ni\ TiOÊ\ Ir\ IrOÊ\ Anodenpotential&udf50;V(NHE)\ Anfangswert\ nach 10 Tagen\ Gewichtsver-&udf50;lust in&udf50;mg/cm¥&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta1,6:5:8,6:12:15,6:18,6:22:27:32:37,6&udf54;\93\ 0\ 3\ 4\ 0\ 0\ 2,55\ 2,60\ 10&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 2\ 4\ 0\ 1\ 1,85\ 1,88\ Æ2,5&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 1\ 4\ 1\ 1\ 1,73\ 1,74\ Æ1,6&udf53;tz&udf54; \93\ 1\ 1\ 3\ 1\ 1\ 1,60\ 1,60\ Æ1,5&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Die Probe Nr. 4 besitzt ein geringes Anodenpotential, das während eines 10tägigen Betriebs unverändert bleibt. Der Metallgewichtsverlust beträgt für denselben Zeitraum 1,5 mg/cm².
Beispiel 3
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Gesinterte Materialien, die man aus einer Pulvermischung der in Tabelle III angegebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße von 0,044 mm bis 0,25 mm erhält, werden durch anodische Polarisierung in einer 10 Gew.-%igen Natriumhydroxidmischung bei einer Stromdichte von 3 kA/m² während 10 Stunden voraktiviert. Die Testabschnitte werden dann als Anoden zur Elektrolyse einer gesättigten wässrigen Natriumchloridlösung bei 60°C mit einer Stromdichte von 5 kA/m² untersucht.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle III &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;ta1,6:22:1,6:6:10:14:18:22:32:22:27:32:37,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Zusammensetzung des gesinterten Materials,&udf50;Gewichts-%\ Ti\ Co\ Ni\ Pt\ Ir\ Anodenpotential&udf50;V (NHE)\ Anfangswert\ nach 10 Tagen\ Gewichtsver-&udf50;lust in&udf50;mg/cm¥&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta1,6:6:10:14:18:18:22:27:32:37,6&udf54;\93\ 0\ 7\ 0\ 0\ 2,3\ 3,0\ 20&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 5\ 2\ 0\ 2,2\ 2,5\ 10&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 5\ 0\ 2\ 2,0\ 2,3\ Æ5&udf53;tz&udf54; \93\ 0\ 5\ 1\ 1\ 1,65\ 1,67\ Æ2&udf53;tz&udf54; \93\ 2,5\ 2,5\ 1\ 1\ 1,60\ 1,60\ Æ1&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Die zwei letzten Proben der Tabelle zeigen ein geringes Anodenpotential bezüglich der Chlorentwicklung, das nach 10-tägigem Betrieb praktisch unverändert bleibt. Die entsprechenden Metallgewichtsverluste sind ebenfalls gering.
Beispiel 4
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Gesinterte Materialien, die man aus einer Pulvermischung der in Tabelle IV angegebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße von 0,044 mm bis 0,25 mm erhält, werden durch anodische Polarisierung in einer 10 Gew.-%igen Natriumhydroxidlösung bei einer Stromdichte von 3 kA/m² während 10 Stunden voraktiviert. Die Testabschnitte werden dann als Anoden zur Elektrolyse einer gesättigten wässrigen Natriumchloridlösung bei 60°C mit einer Stromdichte von 5 kA/m² untersucht.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle IV &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;ta1,6:18:1,6:6:10:14:18:31:18:24,6:31:37,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Zusammensetzung des gesinterten Materials,&udf50;Gewichts-%\ Ti\ COËOÈ\ FeËOÈ\ RuOÊ\ Anodenpotential V (NHE)\ Anfangswert\ nach 10 Tagen\ Gewichtsverlust&udf50;in mg/cm¥&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta1,6:6:10:14:18:24,6:31:37,6&udf54;\90\ 10\ Æ0\ Æ0\ 2,10\ 2,20\ 20&udf53;tz&udf54; \90\ Æ0\ 10\ Æ0\ 1,97\ 1,98\ 10&udf53;tz&udf54; \90\ Æ0\ Æ0\ 10\ 1,90\ 1,93\ vernachl¿ssigbar&udf53;tz&udf54; \90\ Æ5\ Æ5\ Æ0\ 1,57\ 1,57\ vernachl¿ssigbar&udf53;tz&udf54; \90\ Æ2,5\ Æ2,5\ Æ5\ 1,45\ 1,45\ vernachl¿ssigbar&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Die letzte Probe in der Tabelle zeigt ein bemerkenswert geringes Anodenpotential bezüglich der Chlorentwicklung, das mit einer sehr guten Korrosionsresistenz verbunden ist.
Beispiel 5
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Gesinterte Materialien, die man aus einer Pulvermischung der in Tabelle V angegebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße von 0,044 mm bis 0,25 mm erhält, werden durch anodische Polarisierung in einer 10 Gew.%igen Natriumhydroxidlösung bei einer Stromdichte von 3 kA/m² während 10 Stunden voraktiviert. Die Testabschnitte werden dann als Anoden zur Elektrolyse einer gesättigten wässrigen Natriumchloridlösung bei 60°C mit einer Stromdichte von 5 kA/m² untersucht.
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Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle V &udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;ta1,6:17:1,6:7:12:17:30:17:23,6:30:37,6&udf54;&udf53;tz5,5&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg8&udf54;\Zusammensetzung des gesinterten&udf50;Materials, Gewichts-%\ Ti\ SnTaÊOÏ\ IrTaÊOÏ\ AnodenpotentialV (NHE)\ Anfangswert\ nach 10 Tagen\ Gewichtsverlust&udf50;in mg/cm¥&udf53;tz5,10&udf54; &udf53;tw,4&udf54;&udf53;sg9&udf54;&udf53;ta1,6:7:12:17:23,6:30:37,6&udf54;\80\ 20\ Æ0\ 1,7\ 1,75\ vernachl¿ssigbar&udf53;tz&udf54; \90\ Æ0\ 10\ 1,5\ 1,55\ vernachl¿ssigbar&udf53;tz&udf54; &udf53;te&udf54;&udf53;sb37,6&udf54;&udf53;el1,6&udf54;&udf53;vu10&udf54;
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Die Zugabe von Metallaten zur Ventilmetallmatrix erhöht die katalytische Aktivität beträchtlich.
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Die letzte Probe in der Tabelle zeigt ein geringes Anodenpotential bezüglich der Chlorentwicklung und eine sehr gute Korrosionsresistenz.