DE2844495A1 - ELECTROLYTE CATALYST MADE OF THERMALLY STABILIZED, PARTIALLY REDUCED PLATINUM METAL OXIDE AND THE PROCESS FOR THE PRODUCTION OF IT - Google Patents
ELECTROLYTE CATALYST MADE OF THERMALLY STABILIZED, PARTIALLY REDUCED PLATINUM METAL OXIDE AND THE PROCESS FOR THE PRODUCTION OF ITInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektrokatalysator, eine katalytische Elektrode, eine Baueinheit aus Membran und Elektrode sowie ein Verfahren zur Herstellung des Elektrokatalysator. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Katalysatoren und Elektroden, die für die Elektrolyse von Halogeniden besonders brauchbar sind.The invention relates to an electrocatalyst, a catalytic electrode, a membrane assembly and Electrode and a method for producing the electrocatalyst. More particularly, the invention relates on catalysts and electrodes, which are particularly useful for the electrolysis of halides.
Gaser 2ugung durch Elektrolyse einer chemischen Verbindung in ihre Elemente, von denen eines ein Gas sein kann, ist selbstverständlich eine alte und bekannte Technik. Eine kürzlich entwickelte Form eines solches Gas entwickelnden Elektrolysators schließt die Verwendung einer Zelle ein, die einen Elektrolyt in Form einer festen Ionen austauschenden Polymermembran benutzt. In einer Anordnung dieser Art sind katalytische Elektroden mit einem geeigneten Katalysator auf den gegenüberliegenden Seiten der Ionen transportierenden Membran, wie einer sulfonierten Perfluorkohlenstoff-Ionenaustauschermembran angeordnet. Durch eine Oxidationsreaktion wird die ionische Form eines der die Verbindung bildenden Elemente an einer ElektrodeGas extraction by electrolysis of a chemical compound into its elements, one of which may be a gas, is of course an old and well-known technique. A recently developed form of such a gas evolving Electrolyzer involves the use of a cell that contains an electrolyte in the form of a solid ion exchanging polymer membrane used. In an arrangement of this type, catalytic electrodes are provided with a suitable one Catalyst on opposite sides of the ion transport membrane, such as a sulfonated one Perfluorocarbon ion exchange membrane arranged. Through an oxidation reaction, the ionic form becomes one of the elements forming the compound on an electrode
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erzeugt, wofür Wasserstoffionen als Beispiel genannt seien, wenn H3O oder HCl elektrolysiert werden und Natriumionen ein anderes Beispiel sind, wenn ein Natriumhalogenid, wie Natriumchlorid, elektrolysiert wird. Das Ion wird durch die Ionen austauschende Membran zu der anderen Elektrode transportiert, wo es unter Bildung eines Elektrolyseproduktes, wie molekularen Wasserstoffes, oder NaOH reduziert wird. Elektrolysatoren mit festen Ionenaustauscher-Polymermembranen sind besonders vorteilhaft, da sie wirksam, klein sind und keine korrosiven flüssigen Elektrolyten benutzen.is generated, exemplified by hydrogen ions when H 3 O or HCl is electrolyzed and sodium ions are another example when a sodium halide such as sodium chloride is electrolyzed. The ion is transported through the ion-exchanging membrane to the other electrode, where it is reduced to form an electrolysis product such as molecular hydrogen or NaOH. Solid ion exchange polymer membrane electrolyzers are particularly advantageous because they are efficient, small in size, and do not use corrosive liquid electrolytes.
In der Vergangenheit sind verschiedene Metalle und Legierungen als Teil der katalytischen Elektroden solcher elektro-chemischen Elektrolysezellen benutzt worden. Die Leistungsfähigkeit des Katalysators an den gasentwickelnden Elektroden ist offensichtlich von grundlegender Bedeutung bei der Bestimmung der Wirksamkeit und Leistungsfähigkeit der Zelle und somit der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Die Auswahl eines Katalysators für eine elektro-chemische Zelle und seine Wirksamkeit hängt von einem komplexen Satz von Variablen ab, wie der Oberfläche des Katalysators, der Erreichbarkeit der Oxide davon an der Katalysatoroberfläche,Various metals and alloys have been used as part of the catalytic electrodes in the past electro-chemical electrolytic cells have been used. The efficiency of the catalyst on the gas-evolving Electrodes are obviously fundamental in determining effectiveness and performance the cell and thus the economic viability of the process. The selection of a catalyst for an electrochemical cell and its effectiveness depends on a complex set on variables such as the surface of the catalyst, the accessibility of the oxides thereof on the catalyst surface,
der Verunreinigungen in den Reaktanten und der Art/in der Zelle stattfindenden Umwandlung. Infolgedessen ist es und war es immer schwierig, die Anwendbarkeit eines Katalysators, der in einer elektro-chemischen Zelle brauchbar war, für ein anderes System vorherzusagen.the impurities in the reactants and the type / in the cell conversion taking place. As a result, it is and always has been difficult to assess the applicability of a catalyst that in an electrochemical cell was useful to predict for another system.
In der US-PS 3 992 271 ist eine verbesserte Sauerstoff entwickelnde katalytische Elektrode beschrieben, bei der eine Platin/Iridium-Legierung benutzt wird, die eine sehr verbesserte Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit ergibt. In der US-PS 4 039 490 ist eine andere katalytische Elektrode zum Entwickeln von Wasserstoff beschrieben, bei der reduzierte Oxide von Platin/Ruthenium benutzt werden. DerIn US Pat. No. 3,992,271 there is an improved oxygen evolving agent described catalytic electrode in which a platinum / iridium alloy is used, which is a very improved Efficiency and effectiveness results. Another catalytic electrode is shown in U.S. Patent 4,039,490 described for the development of hydrogen, are used in the reduced oxides of platinum / ruthenium. Of the
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Platin/Ruthenium-Katalysator ist nicht nur beträchtlich billige" als der reduzierte Platin/Iridium-Katalysator, weil er ein billigeres Material, wie Ruthenium, zum Legieren mit dem Platin benutzt, sondern er ist auch wirksamer, da er eine geringere Sauerstoff-überspannung hat, als eine Platiii/Iridium-Elektrode.Platinum / ruthenium catalyst is not only "considerably cheaper" than the reduced platinum / iridium catalyst, because it uses a cheaper material such as ruthenium to alloy with the platinum, but it is also more effective, because it has a lower oxygen overvoltage than one Platiii / iridium electrode.
V .-rsuche, reduzierte Rutheniumoxid-Elektrokatalysatoren zur Entwicklung von Halogenen du^ch Elektrolyse wässrigerV. Search, reduced ruthenium oxide electrocatalysts for the development of halogens by electrolysis of aqueous
clnzusetizGn
Halogenidlösungen^ waren jedoch nicht gänzlich erfolgreich, da in solchen Zellen rauhe Elektrolysebedingungen herrschen.
Es kann dabei ein beträchtlicher Verlust an Katalysator von der Membran während der Chlorentwicklung auftreten, da diese
reduzierten Platinmetalloxide einer Auflösung in saurer Umgebung zugänglich sind, wie sie bei der Elektrolyse von
Wasserstoffhalogeniden oder bei der Elektrolyse von Alkalimetallhalogenid-Lösungen
anzutreffen sind, die häufig sauer werden. Und es gibt nicht nur diese Tendenz zur Auflösung
der Platinmetalle, was zu einem Verlust an katalytischem Material führt, sondern die Überspannung der Elektroden
nimmt auch zu, so daß die Wirksamkeit der Zelle abnimmt und in vielen Fällen längere Betriebszeiten nicht gestattet.ClnzusetizGn
Halide solutions ^ were not entirely successful, however, since harsh electrolysis conditions prevail in such cells. There can be a considerable loss of catalyst from the membrane during the evolution of chlorine, since these reduced platinum metal oxides are amenable to dissolution in an acidic environment, as can be found in the electrolysis of hydrogen halides or in the electrolysis of alkali metal halide solutions, which often become acidic . And not only is there this tendency for the platinum metals to dissolve, resulting in a loss of catalytic material, but the overvoltage of the electrodes also increases, so that the efficiency of the cell decreases and in many cases does not permit prolonged operating times.
Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.The advantages of the invention emerge from the following Description.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein neuer Elektrokatalysator mindestens ein reduziertes Platingruppenmetalloxid, das nachfolgend in Gegenwart von Sauerstoff auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, um das Oxid thermisch zu stabilisieren und den Widerstand des Katalysators gegenüber den korrosiven Elektrolysebedingungen zu erhöhen. Das katalytische reduzierte Platingruppenmetalloxid kann wahlweise andere reduzierte Platihgruppenmetalloxide, wie Iridium, enthalten und wahlweise bis zu 50 Gew.-% elek-According to the present invention comprises a novel electrocatalyst at least one reduced platinum group metal oxide, which subsequently in the presence of oxygen to a sufficiently high temperature is heated to thermally stabilize the oxide and the resistance of the catalyst to increase compared to the corrosive electrolysis conditions. The platinum group metal catalytic reduced oxide can optionally other reduced platinum group metal oxides, such as iridium, and optionally up to 50% by weight of electrical
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trisch leitender Streckmittel, wie Graphit, Ventilmetalloxide, Titanmetalloxide und -nitride, -carbide und -sulfide. Beispiele brauchbarer Platingruppenmetalle sind Platin, Palladium, ^.ridium, Rhodium, Ruthenium und Osmium, wobei das bevorzugte reduzierte Metalloxid zur Herstellung von Chlor und anderen Halogenen die thermisch stabilisierten, reduzierten Rutheniumoxide sind. Die reduzierten Rutheniumoxide sind bevorzuqt, weil sie außerordentlich geringe Chlor-Überspannungen haben und sie in der Elektrolyseumgebung stabil sind.trically conductive extenders such as graphite, valve metal oxides, Titanium metal oxides and nitrides, carbides and sulfides. Examples of useful platinum group metals are platinum, Palladium, ^ .ridium, rhodium, ruthenium and osmium, where the preferred reduced metal oxide for the production of chlorine and other halogens the thermally stabilized ones, reduced ruthenium oxides are. The reduced ruthenium oxides are preferred because they are extremely low Have chlorine surges and they are stable in the electrolytic environment.
Das elektrokatalytische Material kann ein einzelnes reduziertes Platingruppenmetalloxid sein, wie Ruthenium/oaer Platinoxid oder Iridiumoxid. Es wurde jedoch festgestellt, daß Mischungen oder Legierungen thermisch stabilisierter, reduzierter Platingruppenmetalloxide noch stabiler sind. Eine solche Mischung oder Legierung des Rutheniumoxides enthält bis zu 25 Gew.-% Iridiumoxid, wobei der bevorzugte Bereich von 5 bis 25 Gew.-%, berechnet auf Metallbasis, reicht, obwohl Iridium etwas teurer ist als Ruthenium allein.The electrocatalytic material can be a single reduced platinum group metal oxide such as ruthenium or other Platinum oxide or iridium oxide. However, it was found that mixtures or alloys of thermally stabilized, reduced platinum group metal oxides are even more stable. Such a mixture or alloy of ruthenium oxide contains up to 25% by weight of iridium oxide, the preferred range being from 5 to 25% by weight, calculated on a metal basis, is enough, although iridium is a little more expensive than ruthenium alone.
Elektrisch leitende Streckmittel, wie Graphit, haben geringe Überspannungen für Halogene und sind beträchtlich billiger als Platinmetalloxide, und sie können leicht eingearbeitet werden, ohne die Wirksamkeit des Katalysators zu verringern. Zusätzlich zu Graphit können Oxide von Ventilmetallen (der Begriff "Ventilmetall" ist in der US-PS 3 948 451 definiert, und er bezeichnet eine Untergruppe von Übergangsmetallen, die z. B. Ti, Ta, Zr, Mo, Nb und W umfaßt. Diese Ventilmetalle leiten den Strom in der anodischen Richtung und widerstehen dem Stromdurchgang in kathodischer Richtung. Sie sind gegenüber dem Elektrolyten und den Bedingungen in einer Elektolytzelle, z. B. zur Herstellung von Chlor und NaOH, ausreichend beständig,Electrically conductive extenders, such as graphite, have low overvoltages for halogens and are substantial cheaper than platinum metal oxides, and they can be easily incorporated without compromising the effectiveness of the catalyst to reduce. In addition to graphite, oxides of valve metals (the term "valve metal" is in the U.S. Patent 3,948,451 and designates a subset of transition metals z. B. Ti, Ta, Zr, Mo, Nb and W includes. These valve metals direct the current in the anodic direction and resist the passage of current in the cathodic direction. You are opposite the electrolyte and the conditions in an electrolyte cell, e.g. B. for the production of chlorine and NaOH, sufficiently resistant,
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um dafür als Elektrodenmaterial benutzt zu werden.), wie Titan, Tantal, Niob, Wolfram, Vanadium, Zirkonium und Hafnium hinzug geben werden, um den Elektrokatalysator weiter :j stabilisieren und sr ine Beständigkeit gegenüber beeinträchtigenden Elektrolysebedingungen zu erhöhen.to be used as electrode material.), how Titanium, tantalum, niobium, tungsten, vanadium, zirconium and hafnium can be added to further the electrocatalyst : j stabilize and sr ine resistance to impairing To increase electrolysis conditions.
Die thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxide 'ind die Streckmittel werden durch Verbinden mit Fluorkohlenstof.. -Harzteilchen, wie das von DuPont unter der Handelsbezeichnung Teflon verkaufte Material, zu einer Elektrode geformt. Die katalytischen Teilchen und die Harzteilchen werden vermischt , die Mischung in einer Form angeordnet und das Ganze erhitzt, bis die Masse zu einer geeigneten Form gesintert ist, die mit mindestens einer Oberfläche der Membran durch Anwendung von Wärme und Druck verbunden wird, um eine Elektrodenstruktur und eine einheitliche Struktur aus Membran und Elektrode zu schaffen.The thermally stabilized, reduced platinum metal oxides and the extenders are made by combining with fluorocarbon. Resin particles such as that available from DuPont under the trade name Teflon material sold, formed into an electrode. The catalytic particles and the resin particles are mixed, the mixture is placed in a mold and the whole is heated until the mass is a suitable one Sintered shape that is bonded to at least one surface of the membrane by the application of heat and pressure, to create an electrode structure and a unitary membrane and electrode structure.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des Elektrokatalysator s umfaßt das Herstellen der Oxide von mindestens einem Platingruppenmetall zusammen mit einem oder mehreren Streckmitteln, wie Graphit oder Ventilmetallen, das Reduzieren der Oxide zu einem teiloxidierten Zustand und das nachfolgende Erhitzen des dabei erhaltenen Produktes in Gegenwart von Sauerstoff auf eine Temperatur, die ausreichend hoch ist, um die reduzierten Oxide zu stabilisieren.The inventive method for producing the electrocatalyst s involves preparing the oxides of at least one platinum group metal along with one or more Extenders, such as graphite or valve metals, reducing the oxides to a partially oxidized state and that subsequent heating of the product obtained in the presence of oxygen to a temperature which is sufficient is high to stabilize the reduced oxides.
Der erfindungsgemäße Elektrokatalysator, der die thermisch stabilisierten, reduzierten Oxide eines Platingruppenmetalles zusammen oder in Kombination mit anderen Platingruppenmetallen oder wahlweise Ventilmetallen einschließt, kann in irgendeiner geeigneten Weise hergestellt werden, durch die ein Oxid-Katalysator dauerhaft, partiell reduziert und thermisch stabilisiert wird.The electrocatalyst according to the invention, which contains the thermally stabilized, reduced oxides of a platinum group metal together or in combination with other platinum group metals or optionally includes valve metals, can be made in any suitable manner which permanently, partially reduces an oxide catalyst and is thermally stabilized.
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Eine bevorzugte Art der Reduktion erfolgt durch eine Modifikation des Adams-Verfahrens der Platinherstellung durch die Zug~.be eines thermisch zersetzbaren Platinhalogenids, wie Rutheniumchlorid, entweder allein -..,der, wenn erwünscht, zusammen mit ein^r geeigneten Menge anderer thermisch zersetzbarer Halogeniaa von Platinmetallen oder Ventilmetallen zu einem Überschuß von Natriumnitrat. Das Adams-Verfahren der Platinherstellung ist in einem Artikel im "Journal of t.ie American Chemical Society", Band 45, Seite 217 (1923) beschrieben. Es isζ zweckmäßig, die feinverteilten Halogenidsalze der Platinmetalle, wie die Chlorplatinsäuren im Falle des Platins, das Rutheniumchlorid im Falle des Rutheniums, Titanchlorid, Tantalchlorid im Falle von Titan und Tantal, im gleichen Gewichtsverhältnis der Metalle zu vermischen, wie es in der abschließenden Legierungsmischung erwünscht ist. Ein Überschuß an Natriumnitrat wird eingearbeitet und die Mischung in einer Siliziumdioxidschale für 3 Stunden bei einer Temperatur von 500 bis 6000C geschmolzen. Der Rest wird gründlich gewaschen, um die noch vorhandenen Nitrate und Halogenide zu entfernen, wonach ein Rest des gewünschten Platinmetalloxides zurückbleibt, z. B. Rutheniumoxid, Platin-Rutheniumoxid, Ruthenium-Iridiumoxid, Ruthenium-Titanoxid usw. Die erhaltene Suspension der vermischten und legierten Oxide wird dann teilweise reduziert. Die Reduktion der Platingruppenmetalloxide kann nach irgendeinem geeigneten bekannten Reduktionsverfahren ausgeführt werden, wie durch elektro-chemische Reduktion, oder durch Hindurchleiten von Wasserstoff durch die Mischung bei Zimmertemperatur, so lange die Oxide nicht vollständig zum Metall reduziert werden sollen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oxide elektro-chemisch in einem sauren Medium reduziert. Das Produkt, das ein reduziertes Platinmetalloxid entweder allein oder ein qemischtes Legierungsoxid ist, wird gründlich getrocknet, z. B. durch Anwendung einer Heizlampe, gemahlen und dannA preferred mode of reduction is by a modification of the Adams process of platinum production by the addition of a thermally decomposable platinum halide, such as ruthenium chloride, either alone - which, if desired, together with an appropriate amount of other thermally decomposable ones Halides of platinum metals or valve metals to an excess of sodium nitrate. The Adams process of platinum production is described in an article in the Journal of the American Chemical Society, Volume 45, page 217 (1923). To mix it is ζ appropriate, the finely divided halide salts of platinum metals, such as chloroplatinic acid, in the case of platinum, the ruthenium chloride in the case of ruthenium, titanium chloride, tantalum chloride in the case of titanium and tantalum, in the same weight ratio of the metals as shown in the final alloy mixture is desirable. An excess of sodium nitrate is incorporated and the mixture was melted in an Siliziumdioxidschale for 3 hours at a temperature of 500 to 600 0 C. The residue is washed thoroughly to remove the nitrates and halides still present, after which a residue of the desired platinum metal oxide remains, e.g. B. ruthenium oxide, platinum-ruthenium oxide, ruthenium-iridium oxide, ruthenium-titanium oxide, etc. The resulting suspension of mixed and alloyed oxides is then partially reduced. The reduction of the platinum group metal oxides can be carried out by any suitable known reduction method such as electrochemical reduction or by bubbling hydrogen through the mixture at room temperature so long as it is not desired to completely reduce the oxides to the metal. In a preferred embodiment, the oxides are electrochemically reduced in an acidic medium. The product, which is a reduced platinum metal oxide either alone or a mixed alloy oxide, is thoroughly dried, e.g. B. by using a heating lamp, and then ground
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cui.'h e_..n Nylonsieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,037 nun (entsprechena 400 mesh) gesiebt, um ein feines PuIv"L* aus den reduzierten Platinmetalloxid herzustellen.cui.'h e _ .. n nylon screen with a mesh size of about 0.037 now (equivalent to 400 mesh) sieved to a fine PuIv "L * from the reduced platinum metal oxide.
Du erhaltenen reduzierten Platinmetalloxide werden dann durch Erhitzen in Gegenwart von Sauerstoff für eine ausreichende Zeit thermisch stabilisiert, um ein katalytisches Material zu erhalten, das in der sauren Halogenwasserstofffumgebung und in Gegenwart der Halogene stabil ist. Bei einer in der nachfolgend beschriebenen Art ausgeführten thermischen Stabilisierung des Katalysators erhält man sehr viel bessere Korrosionseigenschaften in Halogenen, wie Chlor usw. sowie in Gegenwart von Halogenidlösungen, wie Chlorwasserstoff säure usw. Es wird angenommen, daß die thermische Stabilisierung zur Bildung eines katalytischen Teilchens mit einem großen mittleren Porendurchmesser und einem stabilen dünnen Oxidfilm auf der Außenseite des reduzierten Oxidteilchens führt. Dies stabilisiert die reduzierten Oxidteilchen, so daß sie bessere mechanische Eigenschaften zum Verbinden mit der festen Polymerelektrolytmembran haben, und ihr Widerstand gegenüber der Auflösung in Chlorwasserstoffsäure oder anderen Halogenidsäuren oder gegenüber entwickelten Halogenen ist ebenfalls erhöht. Die reduzierten Oxide werden vorzugsweise für eine Dauer von 30 Minuten bis zu 6 Stunden auf eine Temperatur von 350 bis 75O°C erhitzt, wobei die bevorzugte thermische Stabilisierung durch Erhitzen der reduzierten Oxide für eine Stunde auf eine Temperatur von 550 bis 6000C erfolgt.The resulting reduced platinum metal oxides are then thermally stabilized by heating in the presence of oxygen for a time sufficient to obtain a catalytic material that is stable in the acidic hydrogen halide environment and in the presence of the halogens. With a thermal stabilization of the catalyst carried out in the manner described below, very much better corrosion properties are obtained in halogens such as chlorine, etc. and in the presence of halide solutions such as hydrochloric acid, etc. It is assumed that the thermal stabilization leads to the formation of a catalytic particle with a large mean pore diameter and a stable thin oxide film on the outside of the reduced oxide particle. This stabilizes the reduced oxide particles so that they have better mechanical properties for bonding to the solid polymer electrolyte membrane, and their resistance to dissolution in hydrochloric or other halide acids or to evolved halogens is also increased. The reduced oxides are preferably heated for a period of 30 minutes to 6 hours at a temperature of 350 to 75O ° C, with the preferred thermal stabilization by heating the reduced oxides for one hour to a temperature of 550-600 0 C.
Es wurde auch festgestellt, daß die elektrokatalytische Aktivität des Katalysators und der Elektrode mit dem Katalysator dadurch optimalisiert wird, daß man die katalytischen Teilchen in feinstmöglicher Pulverform herstellt. So wurde festgestellt, daß die Oberfläche der Teilchen, wie mittels der BET-Stickstoffabsorptions-Methode beobachtet wurde,It was also found that the electrocatalytic Activity of the catalyst and the electrode with the catalyst is optimized by the fact that the catalytic Produces particles in the finest possible powder form. So became found that the surface of the particles as observed by the BET nitrogen absorption method,
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2
mindestens 25 m /g Katalysator sein sollte. Der bevorzugte2
should be at least 25 m / g catalyst. The preferred one
2 Bereich der Oberfläche liegt zwischen 50 und 150 m /g.2 The area of the surface is between 50 and 150 m / g.
Lie gasdurchlässige Elektrodenstruktur der katalytischen Teilchen und der Fluorkohlenstoffpolymer-Teilchen wird erzeugt durch Vermengen der katalytischen Teilchen mit einer Teflon-Dispersion, um in der in der US-PS 3 297 484 beschriebenen Weise eine gebundene Elektrodenstruktur herzustellen. Bei dem Verfahren des Verbindens der Elektrode ist es zweckmäßig, den Katalysator mit Teflon-Dispersion in einer Weise zu vermengen, daß die Dispersion wenig oder keine Kohlenwasserstoffe enthält. Wenn die Fluorkohlenstoffpolymer-Zusammensetzung oberflächenaktive Kohlenwasserstoffe enthält, dann führt das zu einer vermindernden Oberfläche bei dem reduzierten Oxid-Katalysator. Jede Verringerung der Oberfläche des Katalysators ist augenscheinlich unerwünscht, da dies eine potentiell nachteilige Wirkung auf die Leistungsfähigkeit und Wirksamkeit des Katalysators hat. Die Herstellung der Elektrode sollte daher unter Verwendung einer Polytetrafluoräthylenteilchen-Zusammensetzung erfolgen, die, wenn überhaupt, wenig Kohlenwasserstoffe enthält. Eine geeignete Form dieser Teilchen zur Herstellung der Elektrode ist von DuPont unter der Handelsbezeichnung Teflon T-30 erhältlich.The gas-permeable electrode structure of the catalytic particles and the fluorocarbon polymer particles is created by blending the catalytic particles with a Teflon dispersion, as described in U.S. Patent 3,297,484 Way to make a bonded electrode structure. In the process of connecting the electrode is it is advisable to mix the catalyst with Teflon dispersion in such a way that the dispersion is little or does not contain hydrocarbons. When the fluorocarbon polymer composition contains surface-active hydrocarbons, then this leads to a reducing Surface area of the reduced oxide catalyst. Any reduction in the surface area of the catalyst is evident undesirable as this has a potentially detrimental effect on the performance and effectiveness of the catalyst Has. The electrode should therefore be fabricated using a polytetrafluoroethylene particle composition which contains little, if any, hydrocarbons. A suitable shape of these particles for making the electrode is available from DuPont under the trade name Teflon T-30.
Die Mischung aus den Edelmetallteilchen und Teflonteilchen oder von Graphit und den reduzierten Oxidteilchen wird in einer Form angeordnet und erhitzt, bis die Masse zu einem Abziehbild geformt ist, das dann durch Anwendung von Druck und Hitze in die Oberfläche eingebettet und mit dieser verbunden wird. Wie zum Beispiel in der US-PS 3 297 484 beschrieben, wird die Elektrodenstruktur mit der Oberfläche der Ionenaustauschermembran verbunden, wodurch die gasabsorbierende Teilchenmischung integral verbunden und in einigen Fällen vorzugsweise in die Oberfläche der Membran ein- The mixture of the noble metal particles and Teflon particles or of graphite and the reduced oxide particles is in placed in a mold and heated until the mass is formed into a decal, which is then applied by applying pressure and heat is embedded in and associated with the surface. For example, as described in U.S. Patent 3,297,484, the electrode structure is connected to the surface of the ion exchange membrane, thereby reducing the gas-absorbing Particle mixture integrally connected and in some cases preferably incorporated into the surface of the membrane
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gebettet wird.is bedded.
Die so hergestellte neue Membran/Elektroden-Struktur umfaßt eine feste PolymerelektroIytmembran, die zu einem selektiven Ionentranr. ort fähig ist, wobei mit mindestens einer Seite der Membran eine dünne poröse gasdurchlässige Elektrode aus den oben beschriebenen elektrokatalytischen reduzierten Platingruppenmetalloxiden verbunden ist. Eine zweite Elektrode kann mit der anderen Seite der Membran verbunden werden, und diese Elektrode kann entweder das gleiche elektrokatalytische Material oder irgendein anderes geeignetes kathodisches Material aufweisen. Die selektive, Ionen transportierende Membran ist vorzugsweise eine stabile, hydrierte, kationische Membran, die durch Ionentransport-Selektivität charakterisiert ist. So gestattet die Kationenaustauschermembran den Durchgang positiv geladener Kationen, wie Wasserstoffionen im Falle der Elektrolyse eines Halogenide, wie Hydrogenchlorid oder von Natriumionen im Falle der Elektrolyse wässriger Natriumhalogenide. Der Durchgang negativ geladener Anionen durch eine Kationenaustauschermembran ist minimal gehalten.The new membrane / electrode structure produced in this way comprises a solid polymer electrolyte membrane which leads to a selective Ion transfer location capable of being with at least one Side of the membrane a thin porous gas-permeable electrode from the above-described electrocatalytic reduced Platinum group metal oxides is connected. A second electrode can be connected to the other side of the membrane and this electrode can be either the same electrocatalytic material or some other have suitable cathodic material. The selective, ion-transporting membrane is preferably a stable, hydrogenated, cationic membrane, which is characterized by ion transport selectivity. So allow Cation exchange membrane allows the passage of positively charged cations, such as hydrogen ions in the case of electrolysis of a halide such as hydrogen chloride or of sodium ions in the case of the electrolysis of aqueous sodium halides. The passage of negatively charged anions through a cation exchange membrane is kept to a minimum.
Es gibt verschiedene Arten von Ionenaustauscher-Harzen, die zu Membranen verarbeitet werden können, die den selektiven Transport der Kationen gestatten. Zwei Klassen solcher Harze sind die sogenannten Sulfonsäure-Kationenaustauscher-Harze und die Carboxyl-Kationenaustauscher-Harze. SuIfonsäure-Austauscherharze, die bevorzugt werden, schließen Ionen austauschende Gruppen in Form hydratisierter Sulfonsäurereste (SO3H χ H„0) ein, die mit der Polymerkette durch Sulfonieren verbunden sind. Die Ionen austauschenden Säurereste in der Membran sind fest mit der Polymerkette verbunden, wodurch sichergestellt ist, daß sich die Elektrolytkonzentration nicht verändert.' Die Perfluorkohlenstoff-Sulfonsäure-Kationenaustauschermembranen sind bevorzugt.There are several types of ion exchange resins that can be made into membranes that allow the selective transport of the cations. Two classes of such resins are the so-called sulfonic acid cation exchange resins and the carboxyl cation exchange resins. Sulfonic acid exchange resins, which are preferred, include ion-exchanging groups in the form of hydrated sulfonic acid residues (SO 3 H H "0) which are linked to the polymer chain by sulfonation. The ion-exchanging acid residues in the membrane are firmly connected to the polymer chain, which ensures that the electrolyte concentration does not change. The perfluorocarbon sulfonic acid cation exchange membranes are preferred.
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Eine spezifische Klasse von Kationen austauschenden Polymermembranen dieser Art wird von DuPont unter der Handelsbezeichnung Naf:\on vertrieben. Diese Nafion-Membranen sind hydrierte Copolymere von Polytetrafluoräthylen und PoIyüulfonylfluoridvinylather, die seitenständige Sulfonsäuregruppen enthalten.A specific class of cation exchange polymer membranes of this type is sold by DuPont under the trade name Naf: \ on. These are Nafion membranes hydrogenated copolymers of polytetrafluoroethylene and polyulfonyl fluoride vinyl ether, which contain pendant sulfonic acid groups.
Die Ionenaustauschkapazitat einor gegebenen Sulfonsäure-Kationenaustauschermembran hängt ab vom Milliäquivalentgewicht der SO^-Reste pro Gramm des trockenen Polymers. Je größer die Konzentration der Sulfonsäurereste ist, um so größer ist die Ionenaustauscherkapazität und somit die Fähigkeit der i-iembran, Kationen zu transportieren. In dem Maße, wie die Ionenaustauschkapazitat der Membran zunimmt, nimmt aber auch der Wassergehalt zu und damit die Fähigkeit der Membran, Salz abzuweisen ab. Bei der Elektrolyse von Alkalimetallhalogenid-Lösungen wird Alkali an der Kathodenseite erzeugt und die Geschwindigkeit, mit der das Natriumhydroxid von der Kathode zur Anodenseite wandert, nimmt mit der Ionenaustauschkapazitat zu. Eine solche Rückwanderung verringert die Wirksamkeit des Kathodenstromes und führt auch zur Sauerstofferzeugung an der Anode, was unerwünschte Konsequenzen in seiner Wirkung auf die katalytische Anode hat. Die bevorzugte Ionenaustauschermembran zur Verwendung bei der Salzlaugen-Elektrolyse ist daher ein Schichtstoff, der aus einem dünnen Film (von etwa 0,05 mm Dicke) mit einem Milliäquivalentgewicht von 1500 und einem geringen Wassergehalt (von etwa 5 bis 15 %) mit hoher Salzabweisung, verbunden mit einem Film einer Dicke von etwa 0,1 mm mit hoher Ionenaustauschkapazitat, einem Milliäquivalentgewicht von 1100, verbunden mit einem Teflongewebe, besteht. Eine Form einer solchen Schichtkonstruktion wird von DuPont unter der Handelsbezeichnung Nafion 315 vertrieben. Andere Formen von Schichtstoffen oder Konstruktionen, in denen die Kathodenseitenschicht ausThe ion exchange capacity of a given sulfonic acid cation exchange membrane depends on the milliequivalent weight of SO ^ residues per gram of dry polymer. Ever The greater the concentration of sulfonic acid residues, the greater the ion exchange capacity and thus the Ability of the i-membrane to transport cations. As the ion exchange capacity of the membrane increases, however, the water content also increases and with it the ability of the membrane to repel salt. In electrolysis of alkali metal halide solutions, alkali is generated on the cathode side and the rate at which the Sodium hydroxide migrates from the cathode to the anode side, increases with the ion exchange capacity. Such Back migration reduces the effectiveness of the cathode current and also leads to the generation of oxygen at the anode, what undesirable consequences in its effect on the catalytic Has anode. The preferred ion exchange membrane for use in brine electrolysis is hence a laminate consisting of a thin film (about 0.05 mm thick) with a milliequivalent weight of 1500 and a low water content (from about 5 to 15%) with high salt repellency, combined with a film with a thickness of about 0.1 mm with high ion exchange capacity, a milliequivalent weight of 1100 combined with a Teflon fabric. One form of such a layered construction is sold by DuPont under the trade name Nafion 315. Other forms of laminates or constructions in which the cathode side layer is made of
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einer dünner. Harzfilmschicht geringen Wassergehaltes (etwa 5 bis 15 5) besteht, um die Salzabweisung zu optimalisieren, sind auch erhältlich. Typisch für solche anderen Schichtstoffe sind die unter den Handelsbezeichnungen Nafion 355, 376, 390, 227 und 214 erhältlichen. Im Falle einer Schic.', t stoff membran, die mit einem Teflongewebe verbunden ist, kann es erwünscht sein, die Membran und das Teflongewebe zusätzlich zum Tränken in Alkali, wie es bisher bevorzugt wurde, zur Reinigung noch in 70 %-iger Salpetersäure für 3 bis 4 Stunden am Rückfluß zu erhitzen.one thinner. Resin film layer with low water content (approx 5 to 15 5) to optimize salt repellency, are also available. Typical of such other laminates are those under the trade names Nafion 355, 376, 390, 227 and 214 available. In the case of a Schic. ', T fabric membrane, which is connected with a Teflon fabric it may be desirable to use the membrane and Teflon fabric in addition to soaking in alkali, as previously it was preferred to reflux for 3 to 4 hours in 70% nitric acid for cleaning.
In Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie Chlorwasserstoffsäure, gibt es das Problem der Rückwanderung von Alkali oder anderen Salzen nicht, so daß einfachere Membranformen, wie Nafion 120, als Ionen transportierendes Medium benutzt werden können.In the case of the electrolysis of hydrogen halides, such as Hydrochloric acid, there is the problem of back migration of alkali or other salts, so that simpler membrane forms, such as Nafion 120, are used as ion-transporting Medium can be used.
Im Falle von Salzlaugenelektrolyse kann die Kationenseitensperrschicht, die durch einen geringen Wassergehalt charakterisiert sein muß, Schichtstoffe einschließen, in denen die Kathodensextenschicht ein dünner (0,05 bis 0,1 mm dicker) chemisch modifizierter Film mit Sulfonamidgruppen oder Carboxylsäuregruppen ist.In the case of brine electrolysis, the cation side barrier, which must be characterized by a low water content, including laminates, in which the cathode sext layer is a thin (0.05 to 0.1 mm thick) chemically modified film with sulfonamide groups or carboxylic acid groups.
Im folgeiu λ wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in derIn folgeiu λ reference is made to the drawing in which
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Elektrolysezelle unter Verwendung einer festen Polymerelektrolytmembran und des mit der Oberfläche der Membran verbundenen neuen Katalysators gibt undFigure 1 is a schematic representation of an inventive Electrolytic cell using a solid polymer electrolyte membrane and the one with the Surface of the membrane connected new catalyst there and
Figur 2 eine schematische Darstellung der Reaktionen ist, die in den verschiedenen Teilen der Zelle während der Elektrolyse einer wässrigen Halogenidlösung stattfinden.Figure 2 is a schematic representation of the reactions that take place in different parts of the cell during the electrolysis of an aqueous halide solution take place.
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In Fig. 1 ie.- mit 10 eine Halogen-Elektrolysezelle bezeichnet, die aus einem Kathodenraum 11 und einem Anodenraum 12 besteht, die durch eine feste Polymerelektrolytmembran 13 voneinander getrennt sind, wobei die Membran vorzugsweise eine hydratisierte, durchlässigkeitsselektive Kationenaustauschermembran ist. Mit den gegenüberliegenden Oberflächen der Membran 13 sind Elektroden verbunden, die Teilchen aus einem Fluorkohlenstoff, wie Teflon, umfassen, die mit thermisch stabilisierten, reduzierten Oxiden von Ruthenium (RuO ) oder Iridium (IrO ) oder stabilisierten, reduzierten Oxiden von Ruthenium-Iridium (RuIr), Ruthenium-Titan (RuTi), Ruthenium-Tantal (RuTa), Ruthenium-Tantal-Iridium (RuTaIr) oder Ruthenium-Graphit oder Kombinationen der vorgenannten Oxide mit Graphit und anderen Ventilmetalloxiden verbunden sind. Die Kathode 14 ist mit einer Seite der Membran verbunden und vorzugsweise in dieser eingebettet, und eine nichtdargestellte katalytische Anode ist mit der gegenüberliegenden Seite der Membran verbunden und vorzugsweise in dieser eingebettet. Stromkollektoren in Form von Metallsieben 15 und 16 werden gegen die Elektroden gepreßt. Die ganze Einheit aus Membran und Elektrode wird fest durch die Gehäuseelemente 11 und 12 vermittels der Dichtungen 17 und 18 abgestützt, wobei die Dichtungen aus irgendeinem Material hergestellt sind, das gegenüber der Zellenumgebung, nämlich Alkali, Chlor, Sauerstoff, wässrigem Natriumchlorid im Falle der Elektrolyse von Salzlauge und HCl, HBr im Falle anderer Halogenwasserstoffe, beständig oder inert ist. Eine Form einer solchen Dichtung ist eine gefüllte Kautschuk- bzw. Gummidichtung, die von der Irving Moore Company, Cambridge, Mass. unter der Handelsbezeichnung EPDM vertrieben wird.In Fig. 1 ie.- denoted by 10 a halogen electrolysis cell, which consists of a cathode compartment 11 and an anode compartment 12, which is formed by a solid polymer electrolyte membrane 13 are separated from one another, the membrane preferably being a hydrated, permeability-selective Cation exchange membrane is. Electrodes are connected to the opposite surfaces of the membrane 13, which Particles of a fluorocarbon, such as Teflon, include, those with thermally stabilized, reduced oxides of ruthenium (RuO) or iridium (IrO) or stabilized, reduced oxides of ruthenium-iridium (RuIr), ruthenium-titanium (RuTi), ruthenium-tantalum (RuTa), ruthenium-tantalum-iridium (RuTaIr) or ruthenium graphite or combinations of the aforementioned oxides with graphite and other valve metal oxides are connected. The cathode 14 is connected to one side of the membrane, and preferably in this embedded, and a catalytic, not shown The anode is connected to the opposite side of the membrane and is preferably embedded in it. Power collectors in the form of metal screens 15 and 16 are pressed against the electrodes. The whole unit of membrane and electrode is firmly mediated by the housing elements 11 and 12 of the seals 17 and 18, which seals are made of any material that to the cell environment, namely alkali, chlorine, oxygen, aqueous sodium chloride in the case of electrolysis of brine and HCl, HBr in the case of other hydrogen halides, is stable or inert. One form of one Gasket is a filled rubber gasket made by the Irving Moore Company, Cambridge, Mass. under under the trade name EPDM.
Ein wässriges Alkalimetallhalogenid, wie Salzlauge oder ein Halogenwasserstoff, wie HCl wird durch einen Elektrolyteinlaß 19 eingeführt, der mit der Kammer 20 in VerbindungAn aqueous alkali metal halide such as brine or a hydrogen halide such as HCl is supplied through an electrolyte inlet 19 introduced, which communicates with the chamber 20
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steht. Verbrauchter Elektrolyt und Halogene, wie Chlor, werden durch eine Auslaßleitung 21 entfernt. Eine Kathodeneinlaßleitung 24 ist für den Fall der Salzlaugen-Elektrolyse vorgesehen und steht in Verbindung mit der Kathodenkammer 11, um die Einführung von Kathodenkammer-Elektrolyt, im folgenden abgekürzt "Katholyt" genannt, Wasser oder wässriger NaOH, die verdünnter ist, als die elektro-chemisch an der Grenzfläche-Elektrode/Elektrolyt gebildete, zu gestatten. Im Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie HCl, ist kein Katholyt erforderlich, und die Kathodeneinlaßleitung 24 kann daher weggelassen werden.stands. Spent electrolyte and halogens such as chlorine are removed through an outlet line 21. A cathode inlet line 24 is provided for the case of brine electrolysis and is in connection with the cathode chamber 11 to the introduction of cathode chamber electrolyte, hereinafter abbreviated to "catholyte", water or aqueous NaOH, which is more dilute than the electrochemical at the Interface electrode / electrolyte formed to allow. In the case of the electrolysis of hydrogen halides, such as HCl, no catholyte is required and the cathode inlet conduit 24 can therefore be omitted.
In einer Salzlaugen-Elektrolysezelle dient das Wasser zwei getrennten Funktionen. Ein Teil des Wassers wird unter Erzeugung von Hydroxyl-Anionen elektrolysiert und diese Hydroxyl-Anionen verbinden sich mit den durch die Membran transportierten Natriumkationen unter der Bildung von Laugen (NaOH). Das Wasser spült aber auch über die poröse gebundene Kathodenelektrode, um die an der Membran/Elektroden-Grenzfläche gebildete hochkonzentrierte Lauge zu verdünnen und so eine Diffusion der Lauge durch die Membran zurück in die Anoden-Elektrolyt (im nachfolgenden kurz "Anolyt" genannt)-Kammer möglichst gering zu halten. Die Kathodenauslaßleitung 22 steht in Verbindung mit der Kathodenkammer 11 zur Entfernung überschüssigen Katholyts und der Elektrolyseprodukte, wie Lauge, im Falle der Salzlaugen-Elektrolyse plus irgendwelcher Wasserstoffabgabe an der Kathode sowohl bei der Elektrolyse von Salzlauge als auch von Chlorwasserstoff. Ein energieführendes Kabel 23 wird in die Kathodenkammer eingebracht, und ein vergleichbares, nichtdargestelltes Kabel wird in die Anodenkammer eingebracht. Diese Kabel verbinden die stromleitenden Siebe 16 bzw. 15 oder irgendeine andere geeignete Art von Kollektor mit der Stromquelle.In a brine electrolytic cell, the water serves two purposes separate functions. Some of the water is electrolyzed to generate hydroxyl anions and these Hydroxyl anions combine with those through the membrane transported sodium cations with the formation of alkalis (NaOH). The water also rinses over the porous bound Cathode electrode, around the membrane / electrode interface to dilute the highly concentrated lye that has formed and so cause the lye to diffuse back through the membrane in the anode electrolyte (hereinafter referred to as "anolyte") chamber as low as possible. the Cathode outlet line 22 communicates with cathode chamber 11 for removal of excess catholyte and the electrolysis products, such as caustic, in the case of brine electrolysis plus any hydrogen release the cathode in both the electrolysis of brine and hydrogen chloride. A power cable 23 is placed in the cathode compartment and a comparable cable, not shown, is placed in the anode compartment brought in. These cables connect the conductive screens 16 or 15 or any other suitable type of collector with the power source.
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Fig. 2 veranschaulicht diagrammartig die in der Zelle während der Elektrolyse einer wässrigen Alkalimetallhalogenid-Lösung, wie Salzlauge stattfindenden Reaktionen, und dient dem Verstehen des Elektrolyseprozesses in der Weise, in der die Zelle arbeitet. Eine wässrige Lösung von Natriumr chlorid wird in die Anodenkammer eingebracht, die durch die kationische Membran 13 von der Kathodenkammer getrennt ist. Die Membran 13 ist eine Verbundmembran mit einer Schicht 26 hohen Wassergehaltes (2O bis 35 %, bezogen auf das Trockengewicht der Membran) auf der Anodenseite und einer SchichtFigure 2 diagrammatically illustrates those in the cell during the electrolysis of an aqueous alkali metal halide solution, reactions that take place like brine, and serves to understand the electrolysis process in such a way that in which the cell works. An aqueous solution of sodium r chloride is introduced into the anode chamber, which is passed through the cationic membrane 13 is separated from the cathode chamber. The membrane 13 is a composite membrane with a layer 26 high water content (2O to 35%, based on the dry weight of the membrane) on the anode side and one layer
27 geringen Wassergehaltes (5 bis 15 %, bezogen auf das Trockengewicht der Membran) und hohen Milliäquivalentgewichtes auf der Kathodenseite, die beide durch ein Teflongewebe27 low water content (5 to 15%, based on the Dry weight of the membrane) and high milliequivalent weight on the cathode side, both through a Teflon fabric
28 voneinander getrennt sind.28 are separated from each other.
Die kathodenseitige Schicht kann auf der Kathodenseite auch chemisch modifiziert werden, um eine dünne Schicht eines Polymers mit einem geringen Wassergehalt zu bilden. In einer Ausführungsform erfolgt dies durch Modifizieren des Polymers unter Bildung einer substituierten Sulfonamid-Membranschicht. Durch Umwandeln der Kathodenseitenschicht in eine schwache Säureform (Sulfonamid) wird der Wassergehalt dieses Teiles der Membran verringert und die Fähigkeit des Filmes zur Salzabweisung erhöht. Infolgedessen wird die Rückdiffusion von Natriumhydroxid durch die Membran zur Anode minimal gehalten. Während bei der Salzlaugen-Elektrolyse schichtartige Membrankonstruktionen bevorzugt sind, um die Rückwanderung des Natriumhydroxids zu blockieren, können auch andere homogene Filme mit geringem Wassergehalt benutzt werden, wie Nafion 150, Perfluorcarboxylate usw. Im Falle der Elektrolyse von Halogenwasserstoffen, wie HCl, HBr usw. kann die Ionen transportierende Membran offensichtlich d.n einfacher homogener Film sein, wie Nafion 120.The cathode-side layer can also be on the cathode side chemically modified to form a thin layer of polymer with a low water content. In a Embodiment, this is done by modifying the polymer to form a substituted sulfonamide membrane layer. By converting the cathode side layer into a weak acid form (sulfonamide), the water content becomes this Part of the membrane is reduced and the ability of the film to repel salt is increased. As a result, the back diffusion becomes of sodium hydroxide through the membrane to the anode is kept to a minimum. While with brine electrolysis Layered membrane constructions are preferred in order to block the back migration of the sodium hydroxide other homogeneous films with a low water content can also be used, such as Nafion 150, perfluorocarboxylates, etc. Im In the case of the electrolysis of hydrogen halides such as HCl, HBr, etc., the ion-transporting membrane can obviously i.e. be a simple homogeneous film, like Nafion 120.
Die TefJon-gebundenen Katalysatoren aus reduzierten Edel-The TefJon-bound catalysts made from reduced noble
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metalloxiden enthalten mindestes ein thermisch stabilisiertes, reduziertes Platinmetalloxid, wie eins von Ruthenium, Iridium oder Ruthenium-Iridium mit oder ohne Zusatz reduzierter Oxide von Titan, Niob oder Tantal und Teilchen von Graphit. Diese Katalysatoren sind in die Oberfläche der Membran 13 eingepreßt. Die Stromkollektoren 15 und 16, die der Klarheit halber in Fig. 2 nur teilweise gezeigt sind, sind gegen die Oberfläche der katalytischen Elektroden gepreßt und mit dem positiven bzw. negativen Anschluß der Energiequelle verbunden, um das Elektrolysepotential zwischen den Zellenelektroden zu schaffen. Die wässrige HaIogenidionenlösung, wie wässrige Natriumchloridlösung, die in die Anodenkammer eingebracht ist, wird an der Anode 29 unter Erzeugung von Chlor, wie durch die Bläschen 30 in Fig. 2 veranschaulicht, elektrolysiert. Das Chlor wird prinzipiell an der Grenzfläche von der Elektrode zur Membran entstehen, gelangt jedoch durch die poröse Elektrode zur Elektrodenoberfläche, die dem Elektrolyt zugewandt ist. Die Natriumionen Na werden durch die Membran 13 zur Kathode befördert. In die Kathodenkammer wird ein mit 31 bezeichneter Strom von Wasser oder wässrigem NaOH eingebracht und wirkt als Katholyt. Dieser wässrige Strom spült die Oberfläche der Teflon-gebundenen katalytischen Kathode 14, um die an der Grenzfläche von Membran zur Kathode gebildete Lauge zu verdünnen und dadurch die Rückdiffusion der Lauge durch die Membran zur Anode zu vermindern.metal oxides contain at least one thermally stabilized, reduced platinum metal oxide, such as one of ruthenium, Iridium or ruthenium-iridium with or without the addition of reduced oxides of titanium, niobium or tantalum and particles of Graphite. These catalysts are pressed into the surface of the membrane 13. The current collectors 15 and 16, the only partially shown in Fig. 2 for the sake of clarity are pressed against the surface of the catalytic electrodes and connected to the positive or negative terminal of the energy source, to the electrolysis potential between to create the cell electrodes. The aqueous halide ion solution, such as aqueous sodium chloride solution introduced into the anode chamber is applied to the anode 29 is electrolyzed to produce chlorine as illustrated by vesicles 30 in FIG. The chlorine will arise principally at the interface between the electrode and the membrane, but it gets through the porous electrode to the Electrode surface facing the electrolyte. The sodium ions Na become the cathode through the membrane 13 promoted. A stream of water or aqueous NaOH, designated by 31, is introduced into the cathode chamber and acts as a catholyte. This watery stream washes the surface of the Teflon-bonded catalytic cathode 14 to that formed at the membrane-to-cathode interface To dilute lye and thereby reduce the back diffusion of the lye through the membrane to the anode.
Ein Teil des Wasserkatholyten wird an der Kathode unter Bildung von Hydroxylionen und gasförmigen Wasserstoffes elektrolysiert.Die Hydroxylionen kombinieren sich mit den durch die Membran transportierten Natriumionen unter Bildung von Natriumhydroxid an der Grenzfläche von der Membran zur Elektrode. Das Natriumhydroxid benetzt den Teflonteil der gebundenen Elektrode leich't und wandert zur Oberfläche, wo es durch den über die Oberfläche der Elektrode spülendenPart of the water catholyte is formed at the cathode with the formation of hydroxyl ions and gaseous hydrogen The hydroxyl ions combine with the sodium ions transported through the membrane to form of sodium hydroxide at the membrane-electrode interface. The sodium hydroxide wets the Teflon part of the bound electrode and migrates to the surface, where it is flushed over the surface of the electrode
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wässrigen Strom verdünnt wird. Selbst unter Anwendung der Wasserspülung der Kathode wird an der Kathode konzentriertes Natriumhydroxid im Bereich von 4,5 bis 6,5 molar gebildet. Etwas von dem Natriumhydroxid, das durch den Pfeil 33 angedeutet ist, wandert jedoch durch die Membran 13 zur Anode zurück. Diese NaOH-Wanderung ist ein Diffusionsverfahren, das durch den Konzentrationsgradienten und den elektro-chemischen Transport negativer Ionen zur Anode verursacht wird. Das zur Anode transportierte Natriumhydroxid wird unter Erzeugung von Wasser und Sauerstoff, wie durch die Blasenbildung 34 dargestellt, oxidiert. Dies ist eine parasitäre Reaktion, die die Wirksamkeit des Kathodenstromes vermindert und durch Verwendung von Membranen möglichst gering gehalten werden sollte, die auf der Kathodenseite eine starke Salzabweisung aufweisen. Neben der Wirkung auf die Stromwirksamkeit ist die Sauerstofferzeugung an der Anode unerwünscht, da dies nachteilige Wirkungen auf die Elektrode und die Membran haben kann, insbesondere wenn die Elektrode Graphit enthält. Außerdem verdünnt der Sauerstoff das an der Anode erzeugte Chlor, so daß eine zusätzliche Behandlung erforderlich ist, um den Sauerstoff zu entfernen. Die Sauerstoffbildung kann dadurch weiter vermindert werden, daß man den wässrigen Anolyten ansäuert, so daß das zurückwandernde Hydroxid eher durch Neutralisation in Wasser umgewandelt wird, als daß es unter Sauerstoff bildung oxidiert wird. Die Reaktionen in den verschiedenen Teilen der Zelle bei der Elektrolyse von NaCl sind die folgenden:aqueous stream is diluted. Even when the cathode is flushed with water, it becomes concentrated at the cathode Sodium hydroxide is formed in the range of 4.5 to 6.5 molar. Some of the sodium hydroxide indicated by arrow 33, however, migrates through membrane 13 to it Anode back. This NaOH migration is a diffusion process, through the concentration gradient and the electro-chemical transport of negative ions to the anode caused. The sodium hydroxide transported to the anode is generated with the production of water and oxygen, as shown by blistering 34, oxidized. This is a parasitic reaction that reduces the effectiveness of the cathodic current should be reduced and kept as low as possible by using membranes on the cathode side have a strong salt repellency. In addition to the effect on electricity efficiency, there is also oxygen generation undesirable at the anode as this can have adverse effects on the electrode and the membrane, in particular if the electrode contains graphite. In addition, the oxygen dilutes the chlorine generated at the anode, so that a additional treatment is required to remove the oxygen. The formation of oxygen can continue as a result be reduced by acidifying the aqueous anolyte, so that the back-migrating hydroxide is more likely by neutralization is converted into water rather than being oxidized with formation of oxygen. The reactions in the various Parts of the cell in the electrolysis of NaCl are the following:
(Prinzip)Anode reaction:
(Principle)
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Anodenreaktion: 4OH —» O3 + 2H3O + 4e . (5)Anode reaction: 4OH - »O 3 + 2H 3 O + 4e. (5)
Gesamtreaktion: 2NaCl + 2H3O-^2NaOH + Cl3T + H3T (6) (Prinzip)Overall reaction: 2NaCl + 2H 3 O- ^ 2NaOH + Cl 3 T + H 3 T (6) (principle)
Bei der Elektrolyse von Halogenwasserstoff, wie HCl, sind die Elektrolysereaktionen sehr ähnlich:In the electrolysis of hydrogen halide, such as HCl, the electrolysis reactions are very similar:
. Anodenreaktion: 2HC1-»2H+ + Cl3?+ 2e~ (1). Anode reaction: 2HC1- »2H + + Cl 3 ? + 2e ~ (1)
Membran-Transport: 2H+(H3O, HCl) (2)Membrane transport: 2H + (H 3 O, HCl) (2)
Kathodenreaktion: 2H+ + 2e~-» H3^ (3)Cathode reaction: 2H + + 2e ~ - »H 3 ^ (3)
Gesamtreaktion: 2HC1-*H3^ + Cl3^ (4)Overall reaction: 2HC1- * H 3 ^ + Cl 3 ^ (4)
Die neue Anordnung zur Elektrolyse von wässrigen Lösungen von Salz oder HCl, die in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, ist durch die Tatsache charakterisiert, daß sich die katalytischen Stellen der Elektroden in direktem Kontakt mit der Kationenaustauschermembran und den Ionen austauschenden Säureresten, die mit der Polymerkette verbunden sind, befinden, wobei diese Säure austauschenden Reste Sulfonsäurereste SO3H χ H3O oder CarboxyJsäurereste COOH χ H3O sind. Es gibt daher weder in der Anolyt- noch der Katholytkammer irgendeinen bemerkenswerten Spannungsabfall . Ein solcher Elektrolyt-Spannungsabfall ist charakteristisch für die exestierenden Systeme und Verfahren, in denen Elektrode und Membran voneinander getrennt sind, und er kann dort in der Größenordnung von 0,2 bis 0,5 Volt liegen. Die Beseitigung oder doch beträchtliche Verminderung dieses Spannungsabfalles ist einer der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung, da er einen sehr deutlichen Effekt auf die Gesamtzellenspannung und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hat.The new arrangement for the electrolysis of aqueous solutions of salt or HCl, which is described in the present application, is characterized by the fact that the catalytic sites of the electrodes are in direct contact with the cation exchange membrane and the ion-exchanging acid residues associated with the polymer chain are connected, are located, these acid-exchanging radicals sulfonic acid radicals SO 3 H H 3 O or CarboxyJsäurereste COOH χ H 3 O are. There is therefore no noticeable voltage drop in either the anolyte or catholyte chambers. Such an electrolyte voltage drop is characteristic of the existing systems and processes in which the electrode and membrane are separated from one another, and there it can be of the order of magnitude of 0.2 to 0.5 volts. The elimination or substantial reduction of this voltage drop is one of the main advantages of the present invention as it has a very marked effect on the overall cell voltage and the economics of the process.
Da Chlor direkt an der Grenzfläche der Anode zur Membran erzeugt wird, gibt es auch keinen Spannungsabfall aufgrundSince chlorine is generated directly at the interface between the anode and the membrane, there is also no voltage drop due to it
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der sogenannten "Blasenwirkung", die ein Gasmisch- und Massentransport-Verlust aufgrund der Unterbrechung oder Blockierung des Elektrolytpfades zwischen der Elektrode und der Membran ist.the so-called "bubble effect" which is a gas mixing and mass transport loss due to the disruption or Blockage of the electrolyte path between the electrode and the membrane is.
In Systemen nach dem Stand der Technik ist die Chlor abgebende katalytische Elektrode von der Membran getrennt. Das Gas wird direkt an der Elektrode gebildet und ergibt eine Gasschicht im Raum zwischen Membran und Elektrode. Dies unterbricht den Elektrolytpfad zwischen dem ElektrodenkollekLor und der Membran und blockiert den Durchgang von Na -Ionen und erhöht auf diese Weise den Spannungsabfall. In prior art systems, the chlorine-releasing catalytic electrode is separate from the membrane. The gas is formed directly on the electrode and results in a gas layer in the space between the membrane and the electrode. This interrupts the electrolyte path between the electrode collector and the membrane and blocks the passage of Na ions and in this way increases the voltage drop.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Teflongebundene Edelmetallelektrode reduzierte Oxide von Ruthenium, Iridium oder Ruthenium-Iridium, um die Chlorüberspannung an der Anode möglichst gering zu halten. Die reduzierten Rutheniumoxide sind gegenüber Chlor- und Sauerstoff-Entwicklung stabilisiert, damit man eine stabile Anode erhält. Die Stabilisierung erfolgt anfänglich durch Temperaturstabilisierung, d. h. durch Erhitzen der reduzierten Rutheniumoxide für eine Stunde bei Temperaturen im Bereich von 550 bis 6000C. Die Teflon-gebundenen reduzierten Oxide der Ruthenium-Anode werden weiter stabilisiert durch Vermischen mit Graphit und/oder Legierungen oder Mischen mit den reduzierten Oxiden von Iridium IrO in einem Bereich von 5 bis 25 % Iridium, wobei 25 % bevorzugt sind oder mit reduzierten Oxiden von Titan TiO , wobei 25 bis 50 % von TiO bevorzugt sind. Es wurde auch festgestellt, daß eine ternäre Legierung reduzierter Oxide von Titan, Ruthenium und Iridium (Ru, Ir, Ti)O oderIn a preferred embodiment, the Teflon-bonded noble metal electrode contains reduced oxides of ruthenium, iridium or ruthenium-iridium in order to keep the chlorine overvoltage at the anode as low as possible. The reduced ruthenium oxides are stabilized against the development of chlorine and oxygen so that a stable anode is obtained. The stabilization is initially carried out by temperature stabilization, ie by heating the reduced ruthenium oxides for one hour at temperatures in the range from 550 to 600 ° C. The Teflon-bonded reduced oxides of the ruthenium anode are further stabilized by mixing or mixing with graphite and / or alloys with the reduced oxides of iridium IrO in a range of 5 to 25% iridium, with 25% being preferred, or with reduced oxides of titanium TiO, with 25 to 50% of TiO being preferred. It has also been found that a ternary alloy of reduced oxides of titanium, ruthenium and iridium (Ru, Ir, Ti) O or
Tantal, Ruthenium und Iridium (Ru, Ir, Ta)O , die mitTantalum, ruthenium and iridium (Ru, Ir, Ta) O, which are with
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Teflon gebunden ist, sehr wirksam ist bei der Herstellung einer stabilen langlebigen Anode. Im Falle der ternärenTeflon bonded is very effective in making a sturdy long lasting anode. In the case of the ternary
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Legierung besteht die Zusammensetzung vorzugsweise aus 5 bis 25 Gew.-% reduzierter Oxide des Iridiums, etwa 50 Gew.-% reduzierter Oxide des Rutheniums und der Rest ist ein Ventilmetall, wie Titan. Für eine binäre Legierung reduzierter Oxide aus Ruthenium und Titan enthält die bevorzugte Elektrode eine Menge von 50 Gew.-% Titan und der Rest ist Ruthenium. Titan hat den zusätzlichen Vorteil, daß es sehr viel billiger ist, als Ruthenium oder Iridium und daß es somit ein wirksames Streckmittel ist, welches die Kosten reduziert, während es gleichzeitig die Elektrode in einer sauren Umgebung und gegen HCl, Chlor- und Sauerstoff-Entwicklung stabilisiert. Andere Ventilmetalle, wie Niob, Tantal, Zirkonium oder Hafnium können in der Elektrodenstruktur anstelle von Titan eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Ventilmetallen können auch Ventilmetall —Karbide, -Nitride und -Sulfide als Katalysator-Streckmittel eingesetzt werden.In the alloy, the composition preferably consists of 5 to 25% by weight of reduced oxides of iridium, about 50% % By weight of reduced oxides of ruthenium and the remainder is a valve metal such as titanium. Reduced for a binary alloy Oxides of ruthenium and titanium, the preferred electrode contains an amount of 50% by weight titanium and the remainder is ruthenium. Titanium has the additional advantage that it is much cheaper than ruthenium or iridium and that thus it is an effective diluent that reduces costs while at the same time keeping the electrode in an acidic environment and against the development of HCl, chlorine and oxygen stabilized. Other valve metals such as niobium, tantalum, zirconium or hafnium can be used in the electrode structure can be used instead of titanium. In addition to the valve metals, valve metal - carbides, Nitrides and sulfides are used as catalyst extenders.
Die Legierungen der reduzierten Edelmetalloxide werden zusammen mit den reduzierten Oxiden von Titan oder anderen Ventilmetallen mit Teflon zu einer homogenen Mischung vermengt. Der Gehalt der Anode an Teflon kann im Bereich von 15 bis 50 Gew.-% liegen, obwohl 20 bis 30 Gew.-% bevorzugt sind. Das eingesetzte Teflon ist das von der DuPont Corporation unter der Handelsbezeichnung T-30 vertriebene Material, obwohl auch andere Fluorkohlenstoffe gleichermaßen benutzt werden können. Typische Edelmetallmengen fürThe alloys of the reduced noble metal oxides are used together with the reduced oxides of titanium or others Valve metals mixed with Teflon to form a homogeneous mixture. The Teflon content of the anode can be in the range from 15 to 50 weight percent, although 20 to 30 weight percent is preferred. The Teflon used is that from DuPont Corporation under the trade designation T-30, although other fluorocarbons are alike can be used. Typical amounts of precious metals for
2
die Anode liegen bei 0,6 mg/cm der Elektrodenoberfläche,2
the anode is 0.6 mg / cm of the electrode surface,
2 wobei der bevorzugte Bereich von 1 bis 2 mg/cm reicht.2 with the preferred range being 1 to 2 mg / cm.
Der Stromkollektor für die Anode kann ein platiniertes Niobnetz mit feinen Maschen sein, mit dem ein guter Kontakt zur Elektrodenoberfläche erhalten wird. Es kann aber auch ein gerecktes Titannetz, das mit Rutheniumoxid, Iridiumoxid, Ventilmetalloxid oder deren Mischungen überzogen ist, als Kollektorstruktur für die Anode benutzt werden. NochThe current collector for the anode can be a platinum-coated niobium net with fine mesh, with which good contact is made to the electrode surface is obtained. But it can also be a stretched titanium mesh with ruthenium oxide, iridium oxide, Valve metal oxide or mixtures thereof can be used as the collector structure for the anode. Yet
909824/0602909824/0602
eine weitere mögliche Anodenkollektorstruktur kann eine Titan-Palladiumplatte mit einem durch Schweißen oder Verbinden daran befestigten platin-plattierten Netz sein.Another possible anode collector structure can be a titanium-palladium plate with one by welding or bonding attached to it be platinum-plated mesh.
Die Kathode ist vorzugsweise eine gebundene Mischung aus Teflonteilchen und Platinschwarz mit einer Platinschwarz-The cathode is preferably a bonded mixture of Teflon particles and platinum black with a platinum black
2
menge von 0,4 bis 4 mg/cm . Die Kathode ist ähnlich wie2
amount from 0.4 to 4 mg / cm. The cathode is similar to
die Anode mit der —— the anode with the ——
9Ö9824/06Ö29Ö9824 / 06Ö2
Oberfläche der Kationenaustauschermembran verbunden und in diese eingebettet. Die Kathode wird sehr dünn mit einer Dicke von etwa 0,05 bis 0,075 mm oder weniger und vorzugsweise mit etwa 0,012 mm Dicke hergestellt, sie ist porös und weist einen geringen Teflongehalt auf.Surface of the cation exchange membrane connected and in these embedded. The cathode becomes very thin, about 0.05 to 0.075 mm or less in thickness and preferably Made with a thickness of about 0.012 mm, it is porous and has a low Teflon content.
Die Dicke der Kathode kann recht bedeutsam sein, da die
Kathode in reduziertem Wasser oder durch das Spülen und
Eindringen wässriger NaOH in die Kathode reflektiert werden kann, was die Wirksamkeit des Kathodenstromes verringert.
Die Zellen wurden mit dünnen Kathoden von etwa 0,012 bis etwa 0,05 mm Dicke aus Platinschwarz mit 15 % Teflon
hergestellt. Die Stromwirksamkeiten von Zellen mit dünnen Kathoden betrugen etwa 80 % bei 5 molarer NaOH, bei 88 bis
910C und einer Zuführung von 290 g/l zur Anode. Mit einer
0,075 mm dicken Kathode aus Ruthenium und Graphit war die Stromwirksamkeit auf 54 % mit 5 molarer NaOH verringert.
Die folgende Tabelle A zeigt die Beziehung der Stromwirksamkeit zur Dicke und läßt erkennen, daß Dicken, die 0,05
bis 0,075 mm nicht übersteigen, die beste Leistungsfähigkeit haben.The thickness of the cathode can be quite significant because the
Cathode in reduced water or by rinsing and
Penetration of aqueous NaOH into the cathode can be reflected, which reduces the effectiveness of the cathode current. The cells were made with thin cathodes about 0.012 to about 0.05 mm thick made of platinum black with 15% Teflon
manufactured. The current efficiencies of cells with thin cathodes were about 80% with 5 molar NaOH, at 88 to 91 ° C. and a supply of 290 g / l to the anode. With a 0.075 mm thick ruthenium and graphite cathode, the current efficiency was reduced to 54% with 5 molar NaOH.
The following Table A shows the relationship of current efficiency to thickness and indicates that thicknesses not exceeding 0.05 to 0.075 mm have the best performance.
Stromwirksamkeit Zelle Kathode Kathodendicke(mm) in %(bei n-NaOH) Current efficiency cell cathode cathode thickness (mm) in% (with n-NaOH)
1 Platinschwarz 0,05-0,075 64 (4,0)1 platinum black 0.05-0.075 4.0 (64)
2 Platinschwarz 0,05 - 0,075 73 (4,5)2 platinum black 0.05-0.075 4.5 (73)
3 Platinschwarz 0,025 - 0,05 75 (3,1)3 platinum black 0.025-0.05 75 (3.1)
4 Platxnschwarz 0,025 - 0,05 82 (5)4 platinum black 0.025 - 0.05 82 (5)
5 Platinschwarz 0,012 78 (5,5)5 platinum black 0.012 5.5 (78)
6 5 % Platxnschwarz 0,075 78 (3,0) auf Graphit6 5% platinum black 0.075 78 (3.0) on graphite
7 15 % Ru 0 auf 0,075 54 (5,0) Graphit ·7 15% Ru 0 on 0.075 54 (5.0) graphite
8 Platiniertes 0,25 - 0,37 57 (5)
Graphitgewebe8 Platinized 0.25-0.37 57 (5)
Graphite fabric
909824/0602909824/0602
Die Elektrode ist gasdurchlässig hergestellt, damit die an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Membran entwickelten Gase leicht entweichen können. Sie ist porös hergestellt, um das Eindringen des Spülwassers zur Grenzfläche zwischen Elektrode und Membran, an der die NaOH gebildet wird, und den Zugang der zugeführten Salzlauge zur Membran und den katalytischen Elektrodenstellen zu gestatten. Dies unterstützt das Verdünnen der gebildeten hochkonzentrierten NaOH, bevor sie das Teflon benetzt und an die Elektrodenoberfläche gelangt, wo sie durch das über die Elektrodenoberfläche strömende Wasser weiter verdünnt wird. Es ist wichtig, die NaOH an der Grenzfläche zwischen Membran und Elektrode zu verdünnen, da dort die Konzentration am größten ist. Um die Wassereindringung der Kathode maximal zu machen, sollte der Teflongehalt 15 bis 30 Gew.-% nicht übersteigen, da Teflon hydrophob ist. Mit einer guten Porosität, einem begrenzten Teflongehalt, einem dünnen Querschnitt und einer Spülflüssigkeit aus Wasser oder verdünnter Lauge wird die NaOH-Konzentration gesteuert, um die Wanderung von NaOH durch die Membran zu vermindern.The electrode is made gas-permeable so that the development at the interface between the electrode and the membrane Gases can easily escape. It is made porous to prevent the rinsing water from penetrating to the interface between Electrode and membrane on which the NaOH is formed, and the access of the supplied brine to the membrane and the to allow catalytic electrode sites. This supports the dilution of the highly concentrated NaOH formed, before it wets the Teflon and to the electrode surface where it is further diluted by the water flowing over the electrode surface. It is important that To dilute NaOH at the interface between membrane and electrode, since this is where the concentration is greatest. To the To maximize water penetration of the cathode, the Teflon content should not exceed 15 to 30% by weight, as Teflon is hydrophobic. With a good porosity, a limited Teflon content, a thin cross-section and a flushing liquid from water or dilute lye, the NaOH concentration is controlled to allow the migration of NaOH through to diminish the membrane.
diethe
Der Stromkollektor für/Kathode muß sorgfältig ausgewählt werden, da die an der Kathode Vorhände hochkorrosive Lauge viele Materialien angreift, insbesondere während die Zelle nicht arbeitet. Der Stromkollektor kann ein Nickelnetz sein, da Nickel Lauge gegenüber beständig ist. Der Stromkollektor kann aber auch aus einer Platte aus korrosionsbeständigem Stahl/hergestellt werden, auf das ein Netz aus korrosionsbeständigem Stahl geschweißt ist. Eine andere Stromkollektorstruktur für die Kathode, die gegenüber alkalischer Lösung beständig oder inert ist, ist Graphit oder Graphit in Kombination mit einem Nickelnetz, das auf die Platte und gegen die Oberfläche der Elektrode gepreßt ist.The current collector for / cathode must be chosen carefully as the highly corrosive alkali at the cathode forehands attacks many materials, especially during the cell not working. The current collector can be a nickel mesh, since nickel is resistant to lye. The current collector but can also be made from a plate of corrosion-resistant steel / on which a mesh of corrosion-resistant Steel is welded. Another current collector structure for the cathode, opposite to alkaline solution Is stable or inert, is graphite or graphite in combination with a nickel mesh, which is on the plate and against the surface of the electrode is pressed.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näherThe invention is explained in more detail below with the aid of examples
9D982A/06Ö29D982A / 06Ö2
erläutert.explained.
Es wurden Zellen gebaut und getestet, die Ionenaustauschermembranen und Teflon-gebundene Elektroden mit reduziertem Edelmetalloxid aufwiesen, die in die Membran eingebettet waren, um den Effekt der verschiedenen Parameter auf die Wirksamkeit der Zelle bei der Salzlaugen-Elektrolyse zu zeigen und insbesondere, um die Betriebsspannungscharakteristika der Zelle zu veranschaulichen.Cells were built and tested, the ion exchange membranes and Teflon-bonded electrodes with reduced precious metal oxide embedded in the membrane were to determine the effect of the various parameters on the efficiency of the cell in brine electrolysis and in particular to illustrate the operating voltage characteristics of the cell.
i)ie Tabelle I veranschaulicht die Wirkung der verschiedenen Kombinationen reduzierter Edelmetalloxide auf die Zellen-Spannung. Die Zellen wurden mit Elektroden ausgerüstet, die verschiedene spezifische Kombinationen reduzierter Edelmetalloxide aufwiesen, die mit Teflonteilchen gebunden und in eine 0,15 mm dicke kationische Ionenaustauschermembran eingebettet waren. Die Zelle wurde mit einer Stromdichte von etwa 325 mA/cm bei 90°C, Zuführungsgeschwindigkeiten von 200 bis 2000 ml/min und einer Konzentration des Zugeführten von 5 Mol betrieben.i) Table I illustrates the effect of the various Combinations of reduced precious metal oxides on the cell voltage. The cells were equipped with electrodes that had various specific combinations of reduced noble metal oxides bound with Teflon particles and into a 0.15 mm thick cationic ion exchange membrane were embedded. The cell was operated with a current density of about 325 mA / cm at 90 ° C, feed rates of 200 to 2000 ml / min and a concentration of the feed operated of 5 mol.
Eine Zelle war nach dem Stande der Technik konstruiert und enthielt eine abmessungsmäßig stabilisierte Anode im Abstand '•on der Membran und ein Kathodennetz aus korrosionsbeständigem Stahl in ähnlicher Weise beabstandet. Diese Kpntrollzelle wurde unter gleichen Bedingungen betrieben.One cell was constructed in accordance with the prior art and contained a dimensionally stabilized anode at a distance '• on the membrane and a cathode network made of corrosion-resistant Steel spaced in a similar manner. This control cell was operated under the same conditions.
Aus den in der Tabelle I angegebenen Daten ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zellenbetriebspotentiale im Bereich von 2,9 bis 3,6 Volt lagen. Verglichen mit einer Zelle nach dem Stande der Technik, der Kontrollzelle Nr. 4, unter den gleichen Betriebsbedingungen wurde eine Spannungsverbesserung von 0,6 bis 1,5 V realisiert. Die sich daraus ergebenden Betriebswirksamkeiten und wirtschaftlichenFrom the data given in Table I it can be seen that the cell operating potentials in the method according to the invention ranged from 2.9 to 3.6 volts. Compared to a prior art cell, the control cell No. 4, a voltage improvement of 0.6 to 1.5 V was achieved under the same operating conditions. Which resulting operational efficiencies and economic
909Ö2A/OS02909Ö2A / OS02
Vorteile sind deutlich ersichtlich.The advantages are clear.
909824/0602909824/0602
% Ir)OIr) O x
% Ir) O
Nr.Cell
No.
6 mg/cm
fcu, 25 %
6 mg/cm
(Ru, 25 r / 2
6 mg / cm
fcu, 25%
6 mg / cm
(Ru, 25
Platinschwarz
4 mg/cm
Platinschwarz4 mg / cm
Platinum black
4 mg / cm
Platinum black
Salzlaugesupplied
Brine
m A/cm2Current density
m A / cm2
21
2
(29Og/l)
tt5 molar
(29Og / l)
dd
323323
323
ZeIl-Cell
Membran Stromwirk- (5 molareMembrane current active (5 molar
8i'8i '
6 mg/cm (Ru, 25 % Ir)O6 mg / cm (Ru, 25% Ir) O
dxmensionsmäßig stabile Netzanode im Abstand von der MembranDimensionally stable mesh anode at a distance from the membrane
4 mg/cm (Ku. 50 % Ti)O4 mg / cm (Ku. 50% Ti) O
4 mg/cm (Ru 25 % Ir-25% Ta)Ox 4 mg / cm (Ru 25% Ir-25% Ta) O x
6 mg/cm (RuO -Graphit)6 mg / cm (RuO graphite)
2 6 mg/cm (Ru 0 )2 6 mg / cm (Ru 0)
Netz aus korrosionsbeständigem Stahl im Abstand von der MembranCorrosion-resistant steel mesh at a distance from the membrane
4 mg/cm Platinschwarz4 mg / cm platinum black
4 mg/cm Platinschwarz4 mg / cm platinum black
2 mg/cm2 mg / cm
PlatinschwarzPlatinum black
. 4 mg/cm. 4 mg / cm
PlatinschwarzPlatinum black
323323
323323
323323
323323
323323
323 spannung (V) Temp.- C samkeit323 voltage (V) temp
3.2 - 3,33.2-3.3
3.3 - 3,6 2,93.3 - 3.6 2.9
4,2 - 4,44.2-4.4
3,6 - 3,73.6-3.7
3,5 - 3,63.5-3.6
3,0
3,43.0
3.4
NaOH)NaOH)
INafion
I.
Fortsetzung Tabelle I Table I continued
ZeIl-Nr. Cell No.
Anodeanode
Kathode zugeführte Stromdichte Zeil- Temp. Strom- 5 molare Salzlauge mA/cm spannung (V) ° C wirksam- NaOHCathode supplied current density cell temp. Current 5 molar Brine mA / cm voltage (V) ° C effective - NaOH
keitspeed
σ> ft*σ> ft *
6 mg/cm6 mg / cm
(Ru - 5 Ip)O(Ru - 5 Ip) O
2 mg/cm2 mg / cm
(ir Ox)(ir O x )
2 mg/cm2 mg / cm
(ir Ox)(ir O x )
4 mg/cm Platinschwarz4 mg / cm platinum black
4 mg/cm Platinschwarz4 mg / cm platinum black
. . 4 mg/cm. . 4 mg / cm
Platinschwarz molar
(29Og/l)Platinum black molar
(29Og / l)
323323
323323
323323
3,4 - 3,7 90 73 %
3,1-3,5 90 80 %3.4 - 3.7 90 73%
3.1-3.5 90 80%
3,2 - 3,6 90 65 %3.2 - 3.6 90 65%
DuPont 1500 EW Nafion DuPont Nafion LaminatDuPont 1500 EW Nafion DuPont Nafion laminate
DuPont Nafion LaminatDuPont Nafion laminate
Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 7 der Tabelle I konstruiert und bei 90° unter Zuführung gesättigter Salzlauge betrieben. Das Zellpotential (V) als Funktion der Stromdichte ist in der folgenden Tabelle II angegeben.A cell similar to cell no. 7 of Table I was constructed and operated at 90 ° with a supply of saturated brine operated. The cell potential (V) as a function of the current density is given in Table II below.
3,2 4303.2 430
2,9 3232.9 323
2,7 2152.7 215
2,4 1082.4 108
Diese Ergebnisse zeigen, daß das Zellbetriebspotential mit verringerter Stromdichte kleiner wird. Die Beziehung von Stromdichte zur Zellspannung bestimmt jedoch die Beziehung zwischen Betriebs- und Kapitalkosten bei einer Chlorelektrolyse. Es wird jedoch deutlich, daß selbst bei sehr hohenThese results show that the cell operating potential decreases as the current density decreases. The relationship of However, current density versus cell voltage determines the relationship between operating and capital costs in chlorine electrolysis. It is clear, however, that even at very high
Stromdichten (etwa 325 und 430 mA/cm ) deutliche Verbesserungen in der Zellspannung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Chlorherstellung realisiert werden.Current densities (about 325 and 430 mA / cm) marked improvements in the cell voltage in the method according to the invention for chlorine production.
Die Tabelle IH veranschaulicht den Effekt der kathodischen Stromwirksamkeit auf die Sauerstoffentwicklung. Eine Zelle mit Teflon-gebundener katalytischer Anode und Kathode mit reduzierten Edelmetalloxiden, eingebettet in eine Kationen-Table IH illustrates the effect of the cathodic Current effectiveness on oxygen evolution. One cell with Teflon-bonded catalytic anode and cathode with reduced noble metal oxides, embedded in a cation
austauschermembran wurde bei 90°C unter Zuführung einer gesättigten Salzlauge mit einer Stromdichte von 323 mA/cmexchange membrane was at 90 ° C with supply of a saturated Brine with a current density of 323 mA / cm
und einer Zuführungsgeschwindigkeit von 2 bis 5 ml./min/and a feed rate of 2 to 5 ml./min/
6,25 cm der Elektrodenfläche betrieben. Der Volumenprozentgehalt des Sauerstoffes im Chlor wurde als Funktion der kathodischen Stromwirksamkeit bestimmt.6.25 cm of the electrode area operated. The volume percentage the oxygen in the chlorine was determined as a function of the cathodic current efficiency.
909824/0602909824/0602
"35~ 284U95 "35 ~ 284U95
Strorawirksamkeit (%)Cathodic
Strora effectiveness (%)
Entwicklung (Vol-%)Oxygen-
Development (vol-%)
Die Tabelle IV veranschaulicht die steuernde Wirkung des Anspurens der Salzlauge auf die Sauerstoffentwicklung. Der Volumenprozentgehalt des Sauerstoffes im Chlor wurde für verschiedene HCl-Konzentrationen in der Salzlauge bestimmt.Table IV illustrates the controlling effect of the Tracing the brine to the evolution of oxygen. Of the Percentage by volume of oxygen in chlorine was determined for various HCl concentrations in the brine.
KonzentrationAcid (HCl) -
concentration
Aus diesen Daten wird deutlich, daß die Sauerstoffentwicklung aufgrund der elektro-chemischen Oxidation des zurückgewanderten OH durch bevorzugtes Umsetzen des 0H~ mit dem H unter Bildung von H2O verringert wird.It is clear from these data that the evolution of oxygen due to the electrochemical oxidation of the OH that has migrated back is reduced by preferential reaction of the OH with the H to form H 2 O.
Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 1 der Tabelle I konstruiert und bei 323 mA/cm betrieben unter Zuführung gesättigter NaCl-Lösung, die mit 0,2 η HCl angesäuert worden war. Die Zellspannung wurde bei verschiedenen Betriebstemperaturen von 35 bis 90°C gemessen.A cell similar to Cell No. 1 of Table I was constructed and operated at 323 mA / cm while being fed saturated NaCl solution which had been acidified with 0.2 η HCl. The cell voltage was at different operating temperatures measured from 35 to 90 ° C.
Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 7 der Tabelle IA cell similar to cell # 7 of Table I became
2
konstruiert und bei 215 mA/cm betrieben unter Zuführung einer 290 g NaCl/1 enthaltenden Lösung (etwa 5 molar), die
nicht angesäuert war. Die Zellspannung wurde bei verschiedenen Betriebstemperaturen von 3 5 bis 90 C gemessen. Die2
constructed and operated at 215 mA / cm with the supply of a solution containing 290 g NaCl / l (about 5 molar) which was not acidified. The cell voltage was measured at various operating temperatures from 35 to 90 ° C. the
2 Ergebnisse wurden auf eine Stromdichte von 323 mA/cm um-2 results were converted to a current density of 323 mA / cm
aerechnet.calculated.
Zelle Nr. 1 Spannung (V)Cell # 1 Voltage (V)
3,653.65
3,383.38
3,23.2
3,153.15
3,103.10
3,053.05
3,023.02
Zelle Nr. 7 Spannung (V) ~ Temperatur umgerechnet auf 323 mA/cm (gemessen bei 215 mA/cm2j) Cell No. 7 Voltage (V) ~ Temperature converted to 323 mA / cm ( measured at 215 mA / cm2 j )
3,50 (3,15)3.50 (3.15)
3,30 (2,98)3.30 (2.98)
3,20 (2,9)3.20 (2.9)
3,12 (2,78)3.12 (2.78)
3,05 (2,72)3.05 (2.72)
2,97 (2,65)2.97 (2.65)
2,95 (2,63)2.95 (2.63)
35 45 55 65 75 85 9035 45 55 65 75 85 90
Diese Ergebnisse zeigen, daß die beste Betriebsspannung im Bereich von 80 bis 900C erhalten wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß selbst bei 35 C die Spannung mit dem erfindungsgemäßen Katalysator und Elektrolysator mindestens um 0,5 Volt besser ist, als bei den Chlor-Elektrolysatoren n^ch dem Stande der Technik, die bei 90 C betrieben wurden.These results show that the best operating voltage in the range from 80 to 90 ° C. is obtained. It should be noted, however, that even at 35 C the voltage with the catalyst and electrolyzer according to the invention is at least 0.5 volts better than with the prior art chlorine electrolyzers which were operated at 90 C.
Wird die NaCl-Elektrolyse in einer Zelle ausgeführt, in der beide Elektroden mit der Oberfläche einer Ionen transportierenden Membran verbunden sind, dann erhält man eine maximale Verbesserung. Die verbesserte Leistungsfähigkeit des Verfahrens wird jedoch für alle Strukturen erzielt, in denen zumindest eine der Elektroden mit der Oberfläche der Ionen transportierenden Membran verbunden ist. Eine solche Zelle nennt man eine Hybridzelle. Die Verbesserung in einerIf the NaCl electrolysis is carried out in a cell, in of the two electrodes with the surface of an ion transporting Connected to the membrane, maximum improvement is obtained. The improved efficiency of the method is achieved for all structures in which at least one of the electrodes with the surface of the Ion-transporting membrane is connected. Such a cell is called a hybrid cell. The improvement in one
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solchen Hybridzelle ist etwas geringer als bei einer Zelle, in der beide Elektroden mit der Membran verbunden sind. Nichtsdestoweniger ist die Verbesserung in einer Hybridzelle deutlich, nämlich 0,3 bis 0,5 Volt besser als bei den Zellen nach dem Stande der Technik.such a hybrid cell is slightly less than a cell, in which both electrodes are connected to the membrane. Nonetheless, the improvement is in a hybrid cell significantly, namely 0.3 to 0.5 volts better than the cells according to the prior art.
Es wurde eine Reihe von Zellen konstruiert und eine Salzlaugen-Elektrolyse darin ausgeführt, um die Ergebnisse von Zellen mit zwei mit der Membran verbundenen Elektroden mit den Ergebnissen in Hybridzellen, in denen entweder nur die Anode oder nur die Kathode mit der Membran verbunden war, und mit einer Zelle nach dem Stande der Technik zu vergleichen, bei der keine der Elektroden mit der Membran verbunden war.A series of cells was constructed and brine electrolysis was performed executed therein to the results of cells with two electrodes connected to the membrane with the results in hybrid cells in which either only the anode or only the cathode was connected to the membrane, and compare to a prior art cell in which none of the electrodes are connected to the membrane was.
Alle diese Zellen waren mit Membranen aus Nafion 315 hergestellt, die Zellen wurden bei 900C betrieben, und es erfolgte eine Laugenzuführung mit einer Konzentration von etwa 290 g/l. Die Katalysatormenge der gebundenen Elektrode be-All of these cells were produced with membranes made from Nafion 315, the cells were operated at 90 ° C., and an addition of caustic with a concentration of about 290 g / l took place. The amount of catalyst in the bonded electrode
2 trug für Platinschwarz an der Kathode 2 g/930 cm und an der2 wore 2 g / 930 cm at the cathode and at the for platinum black
2 Anode für RuO -Graphit und RuOv 4 g/930 cm . Die Stromwirk-2 anode for RuO graphite and RuO v 4 g / 930 cm. The current effect
X «2 XX «2 X
samkeit bei 323 mA/cm war für alle Zellen im wesentlichen gleich (84 bis 85 % für 5 molare NaOH). Die Tabelle VI zeigt die Zellspannungen für die verschiedenen Zellen.The rate at 323 mA / cm was essentially the same for all cells (84 to 85% for 5 molar NaOH). Table VI shows the cell voltages for the different cells.
Zelle Anode Kathode Zellspannung (V) bei 323 mA/cm2 Cell anode cathode Cell voltage (V) at 323 mA / cm2
1 Ru-Graphit Platinschwarz 2,91 Ru-graphite platinum black 2.9
(gebunden) (gebunden)(bound) (bound)
2 Platiniertes Platinschwarz 3,5 Niobnetz (gebunden)2 platinum-coated platinum black 3.5 niobium mesh (bound)
(nicht gebunden)(not bound)
3 Platiniertes Platinschwarz 3,4 Niobnetz (gebunden)3 platinum-coated platinum black 3,4 niobium mesh (bound)
(nicht gebunden)(not bound)
809824/06Ö2809824 / 06Ö2
bei 3 23 mA/cni2Cell voltage (V)
at 3 23 mA / cni2
gebunden)Ru graphite
bound)
(nicht gebunden)Nickel mesh
(not bound)
(gebunden)RuO x
(bound)
(nicht gebunden)Nickel mesh
(not bound)
NiobnetzPlatinized
Niobium mesh
(nicht gebunden)Nickel mesh
(not bound)
(nicht gebunden)(not bound)
Die Zellspannung der mit zwei Teflon-gebundenen Elektroden ausgerüsteten Zelle Nr. 1 ist fast um 1 Volt besser als die Zelle nach dem Stand der Technik, in der keine der Elektroden e^ne Teflon-gebundene Elektrode war und die unter Zelle Nr. 6 aufgeführt ist. Die Hybridzellen mit gebundener Kathode ^r. 2 und 3 und die Hybridzellen mit gebundener Anode Nr. 4 und 5 sind um 0,4 bis 0,6 Volt schlechter als die mit zwei gebundenen Elektroden, aber immer noch um 0,3 bis 0,5 Volt besser als die Zelle Nr. 6 ohne eine Teflon gebundene Elektrode.The cell voltage of the two Teflon-bonded electrodes Equipped cell # 1 is almost 1 volt better than the prior art cell in which none of the electrodes e ^ ne Teflon-bonded electrode was and the underneath Cell # 6 is listed. The hybrid cells with bound cathode ^ r. 2 and 3 and the hybrid cells with bound Anode # 4 and # 5 are 0.4 to 0.6 volts worse than those with two electrodes bonded, but still around 0.3 to 0.5 volts better than cell # 6 without a Teflon bonded electrode.
Durch die Verwendung katalytischer Elektroden, die direkt mit der Kationenaustauschermembran verbunden und in dieser eingebettet sind, ist ein stark verbessertes Verfahren zum Herstellen von Chlor und anderen Halogenen aus Salzlauge und, wie im folgenden gezeigt wird, aus HCl und anderen Halogenwassersto·fen möglich.By using catalytic electrodes that are directly connected to the cation exchange membrane and in this embedded is a vastly improved method of making chlorine and other halogens from brine and, as will be shown below, from HCl and other hydrogen halides are possible.
Durch die genannte Anordnung der katalytischen Elektroden befinden sich die katalytischen Stellen der Elektroden in direkter Berührung mit der Membran und den Kationen austauschenden Säureresten in der Membran, und dies führt zu einem Verfahren, das hinsichtlich des erforderlichen Zellpotentials beträchtlich besser ist (bis zu 1 Volt oder mehr)As a result of the above-mentioned arrangement of the catalytic electrodes, the catalytic points of the electrodes are in direct contact with the membrane and the cation-exchanging acid residues in the membrane, and this leads to a method that is considerably better in terms of the required cell potential (up to 1 volt or more)
909824/0802909824/0802
28U49528U495
als die bekannten Verfahren. Die Verwendung der sehr wirksamen Fluorkohlenstoff-gebundenen, thermisch stabilisierten, reduzierten Edelmetalloxid-Katalysatoren, wie der Fluorkohlenstoff/Graphit-reduzierten Edelmetalloxid-Katalysatoren mi den geringen Überspannungen hat die Wirksamkeit des Verfahrens weiter verstärkt. Es wurden Elektroden gebaut und getestet, die die thermisch stabilisierten, reduzierten Edelmetalloxide und so weiter, eingebettet in Ionenaustauschermembranen, aufwiesen, um die Wirkung der verschiedenen Parameter auf die Wirksamkeit der Zelle und des Katalysators bei der Elektrolyse von Chlorwasserstoffsäure zu veranschaulichen .than the known method. The use of the very effective fluorocarbon-bonded, thermally stabilized, reduced noble metal oxide catalysts, such as the fluorocarbon / graphite reduced ones Noble metal oxide catalysts with low overvoltages have the effectiveness of the Procedure further strengthened. Electrodes were built and tested that reduced the thermally stabilized ones Precious metal oxides and so on, embedded in ion exchange membranes, showed the effect of the various parameters on the effectiveness of the cell and the catalyst in the electrolysis of hydrochloric acid.
Die Tabelle VII zeigt die Wirkung verschiedener Kombinationen reduzierter Edelmetalloxide auf die Zellspannung. Die Zellen wurden mit Teflon-gebundenen Graphit-Elektroden versehen, die verschiedene spezifische Kombinationen thermisch stabilisierter, reduzierter Platinmetalloxide und reduzierter Oxide von Titan, eingebettet in eine hydratisierte kationische Membran mit einer Dicke von 0,3 mm enthielten. Die Zelle wurde mit einer Stromdichte von 430 mA/cm bei 300C und einer Zuführungsgeschwindigkeit von 70 ml/min bei einer Normalität der zugeführten Lösung von 9 bis 11 betrieben. Die aktive Zellfläche betrug 46,5 cm2.Table VII shows the effect of various combinations of reduced noble metal oxides on cell voltage. The cells were fitted with Teflon-bonded graphite electrodes containing various specific combinations of thermally stabilized, reduced platinum metal oxides and reduced oxides of titanium, embedded in a hydrated cationic membrane with a thickness of 0.3 mm. The cell was operated with a current density of 430 mA / cm at 30 ° C. and a feed rate of 70 ml / min with a normality of the fed solution of 9 to 11. The active cell area was 46.5 cm 2 .
Die Tabellen VIII und IX zeigen für die gleichen Zellen und unter den gleichen Bedingungen die Auswirkung der Betriebszeit auf die Zellbetriebsspannungen.Tables VIII and IX show for the same cells and, under the same conditions, the effect of operating time on cell operating voltages.
Die Tabelle X zeigt die Wirkung der Säurekonzentration der zugeführten Lösung im Bereich von 7,5 bis 11,5 n. Es wurde eine Zelle ähnlich der Zelle Nr. 5 in Tabelle I konstruiert mit reduziertem (Ru, 25 % Ir)O , die zu der Teflon-gebunde-Table X shows the effect of the acid concentration of the supplied solution in the range from 7.5 to 11.5 N. It was a cell similar to cell No. 5 in Table I constructed with reduced (Ru, 25% Ir) O added to the Teflon-bonded
•ft.• ft.
nen Graphit-Elektrode hinzugegeben wurde. Die Zelle wurde bei einer festen Zuführungsrate von 150 ml/min bei 300C und 430 mA/cm betrieben. Die aktive Zelloberfläche betrug 46,5 cm2.NEN graphite electrode was added. The cell was operated at a fixed feed rate of 150 ml / min at 30 ° C. and 430 mA / cm. The active cell surface was 46.5 cm 2 .
909824/0602909824/0602
T a b j^ 1 1 e VIIT a b j ^ 1 1 e VII
Zeil- Betriebs- Anode-Graphit/ Oxid- Kathode-Graphit/ Oxid-Nr. zeit (h) Fluorkohlen- menge Fluorkohlen- menge stoff plus mg/cm^ stoff plus mg/cmZeil operating anode graphite / oxide cathode graphite / oxide no. time (h) fluorocarbon amount fluorocarbon amount substance plus mg / cm ^ substance plus mg / cm
Normalität Strom- ZeIlder züge- dichte spannvng führten mA/cm (V) Lösung Normality current cell tension density voltage led mA / cm (V) solution
63006300
53005300
49004900
18001800
40004000
200200
1OO1OO
(Ru)Ox wärmestabilisiert (Ru) O x heat stabilized
(Ru,Ti)Ox wärmestabilisiert (Ru, Ti) O x heat stabilized
(Ru,Ti)Ox wärmestab'ilisiert (Ru, Ti) O x heat-stabilized
(Ru Ti)Ox wärmestabilisiert (Ru Ti) O x heat stabilized
(Ru,25 % Ir)O wärmestabili-x siert(Ru, 25% Ir) O wärmestabili- x Siert
0,6 (Ru)Ox 0,60.6 (Ru) O x 0.6
wärmestabilisiert heat stabilized
0,6 (RUjTi)Ox 0,60.6 (RUjTi) O x 0.6
wärmestabilisiert heat stabilized
1,0 (Ru,Ti)Ox ' 1,0 wärmestabilisiert 1.0 (Ru, Ti) O x '1.0 heat set
1,0 (Ru)Ox 1,01.0 (Ru) O x 1.0
wärmestabilisiert heat stabilized
1,0 (Ruf25 % Ir)Ox 1,01.0 (Ru f 25% Ir) O x 1.0
wärmestabilisiert heat stabilized
(Ru,T-i,5 % Ir)O1 2,Ox (Ru/Ti.,5% Ir)O warmestabili- warmestabilisiert (Ru, Ti, 5% Ir) O 1 2, O x (Ru / T i., 5% Ir) O heat stabilized - heat stabilized
(Ru ,25 % Ta)O 2,2(Ru, 25% Ta) O 2.2
siertsated
(Ru, 25% Ta)O(Ru, 25% Ta) O
2,02.0
2,02.0
9-11 9-11 9-11 9-11 9-11 9-11 9-119-11 9-11 9-11 9-11 9-11 9-11 9-11
43O 2,1043O 2.10
43O 2,0143O 2.01
430 1,97430 1.97
43O 1,9143O 1.91
43O 2,O7n (1,9)43O 2, O7 n (1.9)
43O 1,8043O 1.80
430 1,64430 1.64
+)Die Zellspannung dieser Zelle betrug nach 3800 Stunden etwa 1,9 Volt. Wegen Undichtigkeit wurde sie aus dem Test herausgenommen.+) The cell voltage of this cell was about 1.9 volts after 3800 hours. Because Leak, she was removed from the test.
IOIO
OOOO
-P--P-
-P--P-
J>J>
COCO
Tabelle VIIITable VIII
Nr,Cell
No,
CV) nach 100 h
BetriebszeitCell voltage
CV) after 100 h
Operating time
(V) für die Be
triebszeit von
Tabelle IICell voltage
(V) for the Be
driving time from
Table II
dichte«
(mA/cm )current
density"
(mA / cm)
(1,9)2, O7 +
(1.9)
1,701.70
1 ,801.80
430430
-) Siehe Fußnote bei Tabelle VII.-) See footnote to Table VII.
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Tabelle IXTable IX
Nr.Cell
No.
betriebszeit
(h)Between-
operating time
(H)
(mA/cm2)Current density
(mA / cm 2 )
(V)Z e 11 s voltages.
(V)
909824/0 602909824/0 602
Tab eile X Tab rush X
Normalitätnormality
der zugeführtenof the supplied
Lösungsolution
7,5 8
8,57.5 8
8.5
1010
10,510.5
11,511.5
909824/0602909824/0602
Aus den obigen Beispielen ergibt sich, daß HCl zu Chlorgas elektrolysiert wird, das im wesentlichen frei ist von Sauerstoff. Der in der Elektrolysezelle benutzte Katalysator ist durch eine geringe Zellspannung und eine geringe Betriebstemperatur (.-twa 300C) charakterisiert, was einen wirtschaftlichen Betrieb solcher Elektrolysezellen ermöglicht. Weiter ze gen die Daten die ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bei verschiedenen Stromdichten, insbesondere bei 323 bis 430 mA/From the above examples it can be seen that HCl is electrolyzed to chlorine gas which is essentially free of oxygen. The used catalyst in the electrolysis cell is characterized by a low cell voltage and a low operating temperature (.-Twa 30 0 C), which enables an economic operation of such electrolytic cells. The data also show the excellent performance at various current densities, especially at 323 to 430 mA /
2
cm . Dies hat eine positive und nützliche Wirkung auf die Kapitalkosten für die Chlor-Elektrolysatoren nach der vorliegenden
Erfindung.2
cm. This has a positive and beneficial effect on the capital cost of the chlorine electrolyzers of the present invention.
Um die Wirkung der thermischen Stabilisierung auf reduzierte Edelmetall- und Ventilmetalloxide zu zeigen, wurden verschiedene Tests ausgeführt. Diese Tests zeigen den Einfluß auf die Beständigkeit des Katalysators gegenüber rauhen Elektrolysebedingungen. Es wurden thermisch stabilisierte als auch nicht stabilisierte, reduzierte Oxid-Katalysatoren hochkonzentrierten liCl-Lösungen ausgesetzt, die die außerordentlich rauhen Bedingungen repräsentieren. Es wurde die Farbe der Lösung beobachtet, da ein Dunkelwerden der Lösung Katalysatorverlust anzeigte. Ein zunehmender Verlust von Katalysator wurde von ausgeprägteren Farbänderungen begleitet.In order to show the effect of thermal stabilization on reduced noble metal and valve metal oxides, various Tests carried out. These tests show the influence on the resistance of the catalyst to harsh electrolysis conditions. There were thermally stabilized as well as unstabilized, reduced oxide catalysts highly concentrated exposed to liCl solutions, which are extremely represent harsh conditions. The color of the solution was observed as the solution darkened indicated. Increasing loss of catalyst was accompanied by more pronounced color changes.
Die Tabelle XI zeigt die Ergebnisse dieser Korrosionsbeständigkeits- und Stabilitätstests für Katalysatormischungen von 0,5 bis 20 g.Table XI shows the results of this corrosion resistance and stability tests for catalyst mixtures from 0.5 to 20 g.
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Katalysator BehandlungCatalyst treatment
Temp. C Korrosions MediumTemp. C corrosion medium
Ru 0Ru 0
(Ru 5Ir)O.(Ru 5Ir) O.
keineno
für 1 Std. bei 55O°C thermisch stabilisiertThermally stabilized for 1 hour at 55O ° C
(Ru 25Nb)O keine(Ru 25Nb) O none
(Ru 50Ta)O keine(Ru 50Ta) O none
für 1 Std. bei 550 C thermisch stabilisiertThermally stabilized for 1 hour at 550 C.
für 1 weitere Std. bei 550 C thermisch
stabilisiertfor 1 more hour at 550 C thermally
stabilized
keineno
für 1 Std. bei 550 C thermisch stabilisiertThermally stabilized for 1 hour at 550 C.
(Ru 25Ir)O keine(Ru 25Ir) O none
für 1 Std. bei 550 C thermisch stabilisiertThermally stabilized for 1 hour at 550 C.
für 1 weitere Std. bei 24 550 C thermisch stabilisiert Thermally stabilized for 1 more hour at 24 550 C.
12n HCl
12n HCl12n HCl
12n HCl
12n HCl12n HCl
12n HCl
12n HCl12n HCl
12n HCl
Zeit(h) beobachtete FarbeTime (h) observed color
24 74424 744
24 91224 912
168 96168 96
7272
Stabil'tätsauswertung Stability evaluation
leicht braun mäßige Korrosionlight brown moderate corrosion
sehr blaßgelb sehr geringe Korrosion, gute Stabilitätvery pale yellow, very little corrosion, good stability
leicht braun mäßige Korrosionlight brown moderate corrosion
bernsteinfarben amber colored
blaß-bernsteinfarben pale amber
sehr blaßgelb) )very pale yellow))
keine Färb- ) änderung )no change in color)
mäßige Korrosionmoderate corrosion
völlig stabilcompletely stable
farbenAmber
Colours
instabilconsiderable corrosion,
unstable
änderungno color
modification
farbenAmber
Colours
instabilconsiderable corrosion,
unstable
keine Färb- )
änderung)
no coloring)
modification
Aus diesen Daten ergibt sich, daß die thermische Stabilisierung der reduzierten Oxide die Korrosionsbeständigkeit des. Katalysators in sehr konzentrierter HCl verbessert und eine sehr gute Stabilität ergibt. Die Beständigkeit der Katalysatoren in sehr viel weniger korrosiver Chlor- oder Salzlaugenumgebung ist ausgezeichnet und der thermischen Stabilisierung der reduzierten Oxid-Katalysatoren zuzuschreiben -From these data it can be seen that the thermal stabilization of the reduced oxides increases the corrosion resistance Des. Improved catalyst in very concentrated HCl and gives a very good stability. The persistence of Catalysts in a much less corrosive chlorine or brine environment is excellent and the thermal one Attributed to stabilization of the reduced oxide catalysts -
Nach Beobachtung der verbesserten Korrosionseigenschaften der thermisch stabilisierten, reduzierten Platingruppenmetalloxide wurden physikalische und chemische Tests ausgeführt, um die Wirkung der thermischen Stabilisierung auf verschiedene Eigenschaften der Katalysatoren zu bestimmen, die für die verbesserten Korrosionseigenschaften bestimmend t:ein könnten. So wurden der Oxidgehalt, die Oberfläche inAfter observing the improved corrosion properties of the stabilized thermally, reduced platinum group metal oxides were carried out physical and chemical tests to determine the effect of thermal stabilization at various properties to determine the catalysts determine t for improved corrosion properties: one could. So the oxide content, the surface in
2
m /g des Katalysators, das Porenvolumen, die Porengrößenverteilung
des Katalysators gemessen, nachdem man ihn mit dem modifizierten Adams-Verfahren hergestellt hatte. Und
zwar nach der Reduktion des Katalysators und nach der thermischen Stabilisierung des reduzierten Katalysators. Die
Ergebnisse dieser Tests, die im folgenden näher aufgeführt werden, zeigen, daß die Oberfläche des Katalysators nach
dem Reduzieren etwas vermindert ist, und daß sie beträchtlich vermindert ist nach der thermischen Stabilisierung.
Eine Verminderung des Oxidgehaltes nach der Reduktion wird teilweise für die Abnahme der Oberfläche verantwortlich
gemacht. Eine beträchtliche Veränderung der inneren Porengrößenverteilung
des Katalysators nach der thermischen Stabilisierung oder eine entsprechende Veränderung des Porenvolumens
scheint für die beträchtliche Abnahme (Verhältnis von 2:1) der Oberfläche verantwortlich zu sein/ die die
thermische Stabilisierung begleitet, und dies würde die verbesserten
Korrosionseigenschaften erklären, da die Korrosion in direkter Beziehung zu der Fläche steht, die dem2
m / g of the catalyst, the pore volume, the pore size distribution of the catalyst measured after it had been prepared by the modified Adams process. Namely after the reduction of the catalyst and after the thermal stabilization of the reduced catalyst. The results of these tests, which are detailed below, show that the surface area of the catalyst is somewhat reduced after reduction and that it is considerably reduced after thermal stabilization. A decrease in the oxide content after the reduction is partially held responsible for the decrease in the surface area. A significant change in the internal pore size distribution of the catalyst after thermal stabilization or a corresponding change in pore volume appears to be responsible for the considerable decrease (ratio of 2: 1) in surface area / that accompanies thermal stabilization and this would explain the improved corrosion properties, since the corrosion is directly related to the area that the
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284U95284U95
Angriff durch die Korrosionsmittel ausgesetzt ist.Attack by the corrosive agent is exposed.
Zuerst wurde die Probe Nr. 1, ein Katalysator aus Ruthenium mit 25 Gew. % Iridium nach dem modifizierten Adams-Verfahren hergestellt. Ein Teil dieses Katalysators wurde zur Bildung der Probe Nr. 2 elektro-chemisch reduziert. Eine Probe des reduzierten (Ru 25Ir)O wurde für eine Stunde bei 550 bis 600°C thermisch stabilisiert. Die Oberfläche des nicht reduzierten Katalysators der Probe Nr. 1, des reduzierten Katalysators der Probe Nr. 2 und des thermisch stabilisierten, reduzierten (Ru 25 Ir)O -Katalysators der Probe Nr. 3 wurden nach dem Dreipunkt-BET-Stickstoffabsorptionsverfahren gemessen. Die Ergebnisse folgen in der Tabelle XII.First, Sample No. 1 became a ruthenium catalyst with 25 wt.% Iridium according to the modified Adams method manufactured. A portion of this catalyst was electrochemically reduced to form Sample No. 2. One Sample of the reduced (Ru 25Ir) O was thermally stabilized for one hour at 550 to 600 ° C. The surface of the unreduced catalyst of sample No. 1, the reduced catalyst of sample No. 2 and the thermally stabilized one, reduced (Ru 25 Ir) O catalyst of Sample No. 3 were tested by the three-point BET nitrogen absorption method measured. The results follow in Table XII.
Katalysator Behandlung Oberfläche (Ru 25 Ir) Catalyst treatment surface (Ru 25 Ir)
2 Probe Nr. 1 keine 127,6 m /g2 Sample No. 1 not 127.6 m / g
2 Probe Nr. 2 reduziert 123,5 m /g2 Sample No. 2 reduced 123.5 m / g
Probe Nr. 3 reduziert und 1 Std. 62,3 m /gSample no. 3 reduced and 1 hour 62.3 m / g
bei 550 - 600 C thermisch stabilisiert Thermally stabilized at 550 - 600 C.
Dann wurde der Oxidgehalt der Proben Nr. 1, 2 und 3 gemessen ebenso wie der einer Probe Nr. A1 die für eine Stunde bei 700 bis 75O°C thermisch stabilisiert worden waren. Zusätzlich wurde der Oxidgehalt von Platin-Iridium-Katalysatoren mit 5 bis 50 Gew.-% Iridium gemessen. Die Ergebnisse finden sich in der folgenden Tabelle XIII.Then the oxide content of the samples No. 1, 2 and 3 was measured as well as that of a sample No. A 1 which had been thermally stabilized at 700 to 750 ° C. for one hour. In addition, the oxide content of platinum-iridium catalysts with 5 to 50% by weight of iridium was measured. The results can be found in Table XIII below.
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(Ru 25 Ir)catalyst
(Ru 25 Ir)
sierung 1 Std. bei
550 - 600°Cthermal stability
1 hour at
550-600 ° C
16,521.5
16.5
(Pt-50Ir)
Probe Nr. 5Sample # 4
(Pt-50Ir)
Sample # 5
sche Stabilisierung
für 1 Std. bei
700 - 75O°C
keineReduction and thermi
cal stabilization
for 1 hour at
700-750 ° C
no
sche Stabilisierung
für 1 Std. bei
550 - 600 CReduction and thermi
cal stabilization
for 1 hour at
550-600 C.
Die Ergebnisse dieser Tabelle XIII zeigen eine Abnahme des Oxidgehaltes mit der Reduktion und der thermischen Stabilisierung ebenso wie die Oberfläche nach der Reduktion und der thermischen Stabilisierung abnimmt.The results of this Table XIII show a decrease in the oxide content with the reduction and the thermal stabilization just as the surface area decreases after reduction and thermal stabilization.
Die Abnahme des Oxidgehaltes hat eine entsprechende Wirkung auf die Oberfläche, da die Oberfläche von Oxiden normalerweise größer ist als die der nichtoxidischen Form. Diese Verminderung des Oxidgehaltes erklärt teilweise die Verminderung der Oberfläche, nicht jedoch voll die dramatische Verringerung der Oberfläche nach der thermischen Stabilisierung. The decrease in the oxide content has a corresponding effect on the surface, since the surface of oxides normally is greater than that of the non-oxidic form. This reduction in oxide content partially explains the reduction of the surface, but not the dramatic reduction in the surface after thermal stabilization.
Die Porosität des Katalysators wurde daher gemessen, um festzustellen, ob die thermische Stabilisierung des Katalysators eine Veränderung in der Porosität verursacht und damit eine Verminderung der Oberfläche und eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit. Aus den gleichen Mischungen wie dieThe porosity of the catalyst was therefore measured to determine whether the thermal stabilization of the catalyst causes a change in the porosity and thus a reduction in the surface area and an increase in the Corrosion resistance. From the same mixes as that
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Proben Nr. 1,2 und 3 wurden Katalysator-Proben genommen und die Porosität dieser Proben sowie deren Teilchengrößenverteilung gemessen. Die Teilchengrößenverteilung wurde mit einem Sedimentations-Verfahren bestimmt und ergab, daß der äquivalente Kugeldurchmesser bei 50 % Massenverteilung 3,7 ,um nach der Reduktion des Katalysators und 3,1 .um nach der thermischen Stabilisierung betrug. Dies zeigt, daß die äußere Oberfläche der Teilchen verringert ist, gibt jedoch keine ausreichende Grundlage für die gesamte Oberflächenverminderung nach der Stabilisierung.Sample Nos. 1, 2 and 3, catalyst samples were taken and the porosity of these samples and their particle size distribution measured. The particle size distribution was determined by a sedimentation method to find that the equivalent sphere diameter with 50% mass distribution 3.7 μm after the reduction of the catalyst and 3.1 μm after the thermal stabilization was. This shows that the outer surface area of the particles is reduced, but there are insufficient basis for total surface reduction after stabilization.
Das gesamte Porenvolumen in ml/g wurde durch Kapillarkondensation und Quecksilbereinführungsverfahren gemessen. Die Ergebnisse für die Proben Nr. 1, 2 und 3 sind in der Tabelle XIV zusammengefaßt.The total pore volume in ml / g was measured by capillary condensation and mercury introduction methods. the Results for Sample Nos. 1, 2 and 3 are summarized in Table XIV.
(Ru-25 Ir)catalyst
(Ru-25 Ir)
volumen in ml/gTotal pores
volume in ml / g
mische Stabilisierung für 1 Std. bei 500 - 600 Cmixed stabilization for 1 hour at 500 - 600 ° C
Diese Ergebnisse zeigen, daß das gesamte Porenvolumen relativ unverändert bleibt. Die Porosität in g/ml oder, wenn sie bei Kenntnis der Kugelgröße und der Dichte in das Hohlraumvolumen umgerechnet wird, ist daher im wesentlichen die gleiche und liegt im Bereich von 0,7 bis 0,8 g/ml für Ru-25 Ir.These results show that the total pore volume remains relatively unchanged. The porosity in g / ml or if if the sphere size and density are known it is converted into the void volume, is therefore essentially the same and ranges from 0.7 to 0.8 g / ml for Ru-25 Ir.
Gleichzeitig wurde die Porengrößenverteilung gemessen, um die Porendurchmesserverteilungen im Bereich von 40 SngströmAt the same time, the pore size distribution was measured to the pore diameter distributions in the range of 40 Sngström
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bis 10 ,um zu erhalten. Im Bereich von 40 bis 500 Sngström wurde die Ka^illarkondensation .benutzt. Bei diesem Verfahren wird die Flüssigkeitskondensation bei einem gegebenen Dampfdruck gemessen, um die Porengrößenverteilung zu bestimmen. Die Kapillarkondensationsmethode hat eine untere Auflösungsgrenze von 40 Sngström und eine obere Grenze von 500 Sngström. Für Poren von mehr als 500 Sngström (z. B. von 500 Sngström bis 10 ,um) wird zur Bestimmung der Porengrößenverteilung ein Quecksilbereindringverfahren benutzt. Die Ergebnisse für beide Bereiche von Porengrößen sind in den folgenden Tabellen XV und XVI zusammengefaßt.to 10 to get. In the range from 40 to 500 Sngström Ca ^ illar condensation was used. In this procedure liquid condensation is measured at a given vapor pressure to determine the pore size distribution. The capillary condensation method has a lower limit of resolution of 40 sngstrom and an upper limit of 500 sngstrom. For pores of more than 500 Sngström (e.g. from 500 Sngström to 10 .mu.m) the pore size distribution is determined uses a mercury penetration process. The results for both ranges of pore sizes are in the following Tables XV and XVI summarized.
Katalysator BehandlungCatalyst treatment
Probe Nr. 1 keineSample # 1 none
Probe Nr. 2 ReduktionSample No. 2 reduction
Probe Nr. 3Sample # 3
Reduktion und thermische Stabilisierung für 1 Std. bei 550 - 600 CReduction and thermal stabilization for 1 hour at 550 - 600 C
Größen- Porendurchmesserbereich verteilung Size-pore diameter range distribution
4O-5OOÄ Porenverteilung unterhalb von 40 S40-5000 pore distribution below 40 S
" Porendurchmesserverteilung unterhalb von 40 Ä"Pore diameter distribution below 40 Å
" Verteilung im Bereich von 100 300 S mit einem Maximum bei 200 8"Distribution in the range of 100 300 S with a maximum at 200 8
Katalysator BehandlungCatalyst treatment
Probe Nr,
Probe Nr.
Probe Nr.Sample no,
Sample no.
Sample no.
1
2
31
2
3
Größen- Porendurchmesserbereich verteilungSize-pore diameter range distribution
(50 % Punkt(50% point
bei der Verteilung)in the distribution)
keine 500fi'no 500fi '
Reduktion "Reduction "
Reduktion und ther- " mische Stabilisierung für 1 Std. bei 550 - 600 CReduction and thermal stabilization for 1 hour at 550 - 600 ° C
■10 ,um■ 10 to
0,46 ,um 0,82 ,um 1,5 ,um0.46 to 0.82 to 1.5 µm
8C9824/06028C9824 / 0602
Diese Ergebnisse zeigen, daß die thermische Stabilisierung des Katalysators zu einer Veränderung des Porendurchmessers führt. Diese Veränderung scheint von einer Veränderung der Porenzahl begleitet zu sein, so daß sich die Gesamtoberfläche vermindert. Da das Porenvolumen im wesentlichen konstant bleibt und sich die die Porendurchmesserverteilung ändert, so daß die Verteilung ein Maximum bei 200 Sngström und 1,5,um zeigt, scheint es recht klar, daß viele der Poren mit einem Durchmesser unterhalb von 40 Sngström verschmelzen und so die Gesamtzahl der Poren verringern. Oberhalb von 500 Sngström nimmt der Porendurchmesser zu. Der Porengrößendurchmesser und die innere Porenoberfläche verändert sich somit mit der thermischen Stabilisierung. Insgesamt wird die innere Porosität und damit die Porenoberfläche beim thermischen Stabilisieren des Katalysators verringert. Es wird angenommen, daß dies ein Ergebnis der Veränderung der Morphologie ist, um eine kleinere Porenzahl mit einer größeren Porendurchmesserverteilung zu schaffen. Da das Porenvolumen relativ unverändert bleibt und eine Veränderung der Porendurchmesserverteilung zu einem größeren Porendurchmesser hin stattfindet, scheint es klar zu sein, daß die Oberflächenverringerung, die mit der thermischen Stabilisierung des Katalysators einhergeht, der Veränderung der inneren Porenoberfläche zuzuschreiben ist.These results show that the thermal stabilization of the catalyst leads to a change in the pore diameter leads. This change seems to be accompanied by a change in the number of pores, so that the total surface area reduced. Since the pore volume remains essentially constant and the pore diameter distribution changes changes so that the distribution shows a maximum at 200 Sngström and 1.5 μm, it seems quite clear that many of the Merge pores with a diameter of less than 40 Sngström and so reduce the total number of pores. The pore diameter increases above 500 Sngström. Of the The pore size diameter and the inner pore surface thus change with the thermal stabilization. All in all becomes the internal porosity and thus the pore surface during the thermal stabilization of the catalyst decreased. It is believed that this is a result of changing the morphology to a smaller number of pores to create with a larger pore diameter distribution. Because the pore volume remains relatively unchanged and a change the pore diameter distribution takes place towards a larger pore diameter, it seems to be clear that the surface reduction associated with the thermal Stabilization of the catalyst is accompanied by the change in the inner pore surface.
Die Porosität, ausgedrückt im Porenvolumen in ml/g des Katalysators, des thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxid-Katalysators liegt im Bereich von 0,4 bis 1,5 ml/g, wobei die bevorzugte Porosität für einen thermisch stabilisierten Ru-25 Ir-Katalysator bei 0,7 bis 0,8 ml/g liegt.The porosity, expressed in pore volume in ml / g des Catalyst, the thermally stabilized, reduced platinum metal oxide catalyst is in the range from 0.4 to 1.5 ml / g, with the preferred porosity for a thermally stabilized Ru-25 Ir catalyst at 0.7 to 0.8 ml / g.
Die Porendurchmesserverteilung des thermisch stabilisierten Katalysators zeigt die prinzipielle Verteilung unterhalb von 500 Sngström als im 100 bis 300 Sngström-Bereich liegendThe pore diameter distribution of the thermally stabilized catalyst shows the basic distribution below from 500 Sngström than lying in the 100 to 300 Sngström range
909824/0602909824/0602
284U95284U95
mit einem Max'.mum bei 200 Angstrom. Oberhalb von 500 Angstrom
zeigt die Porendurchmesserverteilung das größte Porenvolumen und also die Hauptverteilung im Bereich von 0,4 bis 9 ,um,
wobei ein Maximum bei 1,5,um :
der Verteilung repräsentiert.with a max'.mum at 200 Angstroms. Above 500 Angstroms, the pore diameter distribution shows the largest pore volume and thus the main distribution in the range from 0.4 to 9 .mu.m, with a maximum at 1.5 .mu.m:
the distribution represents.
wobei ein Maximum bei 1,5,um liegt, das den 50 % Punkt beiwith a maximum at 1.5 µm, which is the 50% point
Der Oberflächenbereich für die thermisch stabilisierten, reduzierten Platinmetalloxid-Katalysatoren sollte derart sein, daß für irgendein gegebenes Platinmetall oder eine Kombination von Platinmetallen mit oder ohne Ventilmetalle usw. die Oberfläche so gering als möglich sein sollte (um die Korrosion zu verringern) für die erforderliche katalytischeThe surface area for the thermally stabilized, reduced Platinum metal oxide catalysts should be such that for any given platinum metal or combination of platinum metals with or without valve metals etc. the surface should be as small as possible (around the To reduce corrosion) for the required catalytic
2 Aktivität. Die Oberfläche sollte daher bei mehr als 10 m /g2 activity. The surface should therefore be more than 10 m / g
2
liegen, wobei 24 bis 165 m /g ein bevorzugter Bereich sind2
with 24 to 165 m / g being a preferred range
und für einen thermisch stabilisierten Ru-25-Ir-Katalysatorand for a thermally stabilized Ru-25-Ir catalyst
2
der Bereich 60 bis 70 m /g ist. Die Katalysatoren mit den2
the range is 60 to 70 m / g. The catalysts with the
reduzierten, thermisch stabilisierten Platingruppenmetalloxiden sind verglichen mit Pulvern, Rußen usw. großflächige Katalysatoren, die normalerweise eine Oberfläche von 10 bisReduced, thermally stabilized platinum group metal oxides are large-area compared to powders, carbon blacks, etc. Catalysts that normally have a surface area of 10 to
2
15 m /g haben.2
15 m / g.
Der Oxidgehalt des Katalysators kann im Bereich von 2 bis 25 Gew.-% und vorzugsweise von 13 bis 23 Gew.-% liegen.The oxide content of the catalyst can range from 2 to 25% by weight and preferably from 13 to 23% by weight.
909824/0602909824/0602
Claims (1)
dadurch gekennzeichnet, daß das Platinmetalloxid Rutheniumoxid ist, das mindestens ein weiteres thermisch stabilisiertes, reduziertes Metalloxid von Iridium, Tantal, Titan, Niob, Zirkonium oder
Hafnium einschließt.5. Catalyst system according to claims 2 to 4,
characterized in that the platinum metal oxide is ruthenium oxide, the at least one further thermally stabilized, reduced metal oxide of iridium, tantalum, titanium, niobium, zirconium or
Includes hafnium.
dadurch gekennzeichnet, daß das Platinmetalloxid Iridiumoxid ist, das reduzierte Oxide von Tantal oder Titan enthält.9. Catalyst system according to claims 2 to 4,
characterized in that the platinum metal oxide is iridium oxide containing reduced oxides of tantalum or titanium.
mindestens 60 m /g beträgt.2
is at least 60 m / g.
mindestens 60 m /g der Teilchen umfaßt.2
comprises at least 60 m / g of the particles.
daß man ein Oxid/eines Platingruppenmetalles herstellt, das wahlweise ein Ventilmetalloxid enthält, man die Oxide zu einem partiell oxidierten Zustand reduziert, die reduzierten Oxide in Gegenwart von Sauerstoff auf eine Temperatur und für eine Dauer erhitzt, die ausreicht, die reduzierten Oxide zu stabilisieren und daßat least
preparing an oxide / platinum group metal optionally containing a valve metal oxide, reducing the oxides to a partially oxidized state, heating the reduced oxides in the presence of oxygen to a temperature and for a time sufficient to stabilize the reduced oxides and that
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