DE60010954T2

DE60010954T2 - Aktivierte Nickel-Siebplatten und -Folien

Info

Publication number: DE60010954T2
Application number: DE60010954T
Authority: DE
Inventors: Frank J. Newark Clark; Alfonso L. Jupiter Baldi
Original assignee: Alloy Surfaces Co Inc
Current assignee: Alloy Surfaces Co Inc
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-03-14
Also published as: EP1035228B1; DE60010954D1; CA2295329C; JP2000303198A; US6258461B1; EP1035228A1; CA2295329A1; US6491766B1; ES2219267T3; ATE267888T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung für eine Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer aktivierten Beschichtung auf einem Nickelsieb. Das beschichtete Nickelsieb kann als Kathode in einer elektrolytischen Zelle eingesetzt werden, die für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff aus einer wässrigen alkalischen Lösung ausgerichtet ist. Eine bevorzugte Beschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei aktivierte Schichten mit einem großen Oberflächenbereich, einer Vielzahl von Rissen und einem Gewichtsverhältnis von Nickel zu Aluminium von mehr als 20/1 in der oberen Schicht und mehr als 4/1 in der unteren Schicht aufweist, die dem Nickelsubstrat benachbart ist.
Aktivierte Nickelsiebe werden zurzeit für die Synthese von Methan und die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrolytischen Zellen, die ein wässriges alkalisches Medium enthalten, verwendet.
In der Methansynthese wird eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff über die aktivierten Nickelsiebe geleitet, wobei Methan und Wasser gebildet werden. Für die Herstellung von Wasserstoff und Sauerstoff in elektrolytischen Zellen werden die aktivierten Nickelsiebe als Kathoden eingesetzt. Werden aktivierte Siebe als Kathode in einer elektrolytischen Zelle eingesetzt, können sie die Überspannung verringern und es kann eine Verbesserung des Wirkungsgrades um mehr als 20% in Vergleich zu unbehandelten Nickelsieben erhalten werden. Es wird angenommen, dass die Überlegenheit der aktivierten Nickelsiebe zumindest teilweise durch den vergrößerten Oberflächenbereich bewirkt wird, der ein Ergebnis der Aktivierung ist. Die aktivierten Siebe werden in elektrolytischen Zellen für die Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff seit etwa 10 Jahren eingesetzt.
Heutzutage wird Wasserstoff als Treibstoff für industrielle Anwendungen als auch als Treibstoff für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Der Vorteil von Wasserstoff als Treibstoff für Kraftfahrzeuge umfasst eine größere Energiefreisetzung pro Gewichtseinheit Treibstoff und das Fehlen von umweltverschmutzenden Emissionen einschließlich Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxid, Schwefeloxiden, Kohlenwasserstoffen, Aldehyden und Bleiverbindungen (das heißt, die Verbrennungsprodukte von Wasserstoff sind in erster Linie Wasser mit geringfügigen Spuren von Stickoxid).
Nach dem bekannten Verfahren zur Herstellung der aktivierten Nickelsiebe wird jedes einzelne Nickelsieb in ein "Paket" eingepackt, das aus einer Pulvermischung besteht, die Aluminium, Aluminiumoxid und einen Halogenidsalzaktivator enthält, worauf sich eine Wärmebehandlung anschließt (das heißt für mehre Stunden bei erhöhten Temperaturen). Dieses Verfahren ist bekannt als das Classical Pack Cementation Verfahren und in dem US-Patent Nr. 4,349,612 beschrieben. Die Chemie dieses Verfahrens umfasst während der Stufe der Erwärmung die Reaktion des Halogenids mit Aluminium, wobei gasförmige Aluminiumsubhalogenide wie Aluminiumsubchlorid (AlCl) erhalten werden. Bei Überleitung dieses Gases über das Nickelsieb zersetzt es sich und Aluminium wird auf der Nickeloberfläche abgeschieden. Das Verfahren wird über 20 bis 30 Stunden bei 800–1200°F (427–649°C) in einer Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Bei dieser Temperatur diffundiert das abgeschiedene Aluminium in die Nickeloberfläche und bildet so eine Beschichtung, die ein aluminiumreiches Nickelaluminid (Ni₂AL₃) enthält. Das Verfahren ist arbeitsintensiv, erfordert lange Verarbeitungszeiten und unangenehme Stäube werden während der Beladung der Siebe abgegeben und korrosive und toxische Halogenidgase werden während des Erwärmungsvorgangs emittiert. Um eine Kontaminierung der Umgebung zu vermeiden, müssen die abgegebenen Gase unter alkalischen Bedingungen gewaschen werden, um sie zu neutralisieren und die toxischen Gase zu entfernen. Zudem muss nach jedem Verfahrenszyklus das Beschichtungspulver gesiebt und für die nächste Beladung der Siebe ergänzt werden. Die Pulvermischung absorbiert leicht Wasser und muss daher trocken gehalten werden, wenn sie nicht eingesetzt wird. Andernfalls reagiert Feuchtigkeit mit dem Aktivator in der Packung und verringert dessen Wirkung.
Nach Bildung der Nickelaluminidbeschichtung auf den Nickelsieben werden die Siebe bei 180°F bis 200°F (82–93°C) für etwa 40 bis 60 Minuten in eine 20%ige Lösung aus Natriumhydroxid getaucht, um wenigstens einen Teil des Aluminiums aus der Nickelaluminidbeschichtung selektiv auszulaugen. Die Siebe werden dann mit Wasser gespült und durch Eintauchen in heißes Wasser bei 180 bis 212°F (82–100°C) über eine Stunde passiviert. Darauf schließt sich eine einstündige Eintauchung bei 74°F in eine Wasserlösung an, die 2–5% Wasserstoffperoxid enthält, dann wird mit Wasser gespült und anschließend in einem Ofen bei 140–160°F (60–71°C) getrocknet, um alles Wasser von dem Sieb zu entfernen. Nach dem vorstehenden Verfahren sind die Siebe bereit für die Verwendung als Kathoden in elektrolytischen Zellen, die ein wässriges alkalisches Medium enthalten (zum Beispiel 25% NaOH oder 25% KOH in Wasser). In diesen elektrolytischen Zellen wird Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode produziert. Die Anoden der Zellen bestehen im allgemeinen aus reinem (unbehandeltem) Nickel (virgin). Vorzugsweise enthalten die Anoden Poren oder Öffnungen (zum Beispiel Nickelsiebe).
Die vorliegende Erfindung umfasst die Herstellung von aktivierten Nickelsieben mit einer noch größeren Aktivität als diejenigen Siebe, die nach dem vorstehend genannten Classical Pack Cementation Verfahren hergestellt werden.
Zudem umfasst die vorliegende Erfindung ein einziges Beschichtungsverfahren, mit dem den Nachteilen, die dem Classical Pack Cementation Verfahren inhärent sind, Rechnung getragen wird.
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die Nickelsiebe in einem simplen Tauchverfahren mit einer Aufschlämmung von Aluminiumpulver, das in einem Bindemittel/organischen Lösungsmittelsystem oder einem Bindemittel/Wassersystem dispergiert ist, beschichtet. Die Beschichtung muss die Oberfläche der Drähte vollständig bedecken, die das Sieb bilden. Nach einer ersten Trockenstufe, um das organische Lösungsmittel oder das Wasser zu entfernen, sollte das Gewicht der Beschichtung auf dem Sieb vorzugsweise etwa 30 mg/sqcm nicht übersteigen und sollte vorzugsweise nicht weniger als etwa 10 mg/sqcm betragen. Das beschichtete Sieb wird anschließend direkt in einen Ofen unter Stickstoff-, Wasserstoff- oder in Inertatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1450–1750°F (788–954°C) über eine Zeit von etwa einer bis fünfzehn Minuten gegeben. Vorzugsweise übersteigt die Beschichtung nicht etwa 30 mg/sqcm um die Brüchigkeit der Drähte während des Erhitzungsvorgangs zu verringern. Vorzugsweise beträgt die Beschichtung nicht weniger als etwa 10 mg/sqcm um die Möglichkeit zu verringern, dass nur eine unvollständige Beschichtung der Drähte des Siebs während des Verfahrens erfolgt. Während des Erhitzungsvorgangs diffundiert Aluminium in die Oberfläche der Nickeldrähte, die das Sieb bilden, wo das Aluminium mit dem Nickel unter Ausbildung von Nickelaluminiden reagiert.
Am Ende der Erhitzungsstufe hat sich auf den Nickeldrähten eine Beschichtung ausgebildet. Der Bereich der Beschichtung, der der Außenumgebung am nächsten ist, ist überwiegend NiAl₃ und Aluminium, wohingegen der Bereich der Beschichtung, der dem Nickeldraht am nächsten ist, überwiegend Ni₂Al₃ und Nickel ist. Anschließendes Auslaugen von Aluminium aus dieser Beschichtung in einer Wasserlösung, die 20% Natrim- oder Kaliumhydroxid enthält, bei 180–200°F (82–93°C) ergibt eine Beschichtung mit einer größeren Aktivität als die der Beschichtung, die in dem Classical Pack Cementation Verfahren gebildet wird, die nicht die gleiche Struktur wie die Beschichtung der vorliegenden Erfindung aufweist. Zusätzlich zu der größeren Aktivität ermöglicht das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eine wesentliche Kosteneinsparung im Hinblick auf die Arbeit und die Eliminierung der Freisetzung von unangenehmen Stäuben und toxischen Gasen während der Beschichtungs- und Erhitzungsstufen. Zudem, wie in 1 gezeigt, wird eine beträchtliche Verbesserung der Leistung der elektrolytischen Zellen erzielt, in denen die aktivierten Nickelsiebe eingesetzt werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, im Vergleich zu den aktivierten Nickelsieben, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren hergestellt werden. Es wird angenommen, dass diese Verbesserung der Eigenschaften ein Resultat der Unterschiede in Struktur und Zusammensetzung der Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung (das heißt der Beschichtung, die auf den Nickelsieben gebildet ist) und der Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren ist. Genauer gesagt, scheint die Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung (das heißt wenn sie mit 800-facher Vergrößerung betrachtet wird) zwei Bereiche oder Abschnitte aufzuweisen, siehe 3 und 5. Der äußere Bereich oder Abschnitt hat ein gezähntes Erscheinungsbild, wobei die Punkte der zahnähnlichen Vorsprünge nach außen zeigen (das heißt in Richtung der äußeren Umgebung). Das Verhältnis von Nickel zu Aluminium (Gewichtsverhältnis) in diesem äußeren Bereich oder Abschnitt der Beschichtung beträgt wenigstens 20 zu 1.
Der innere Bereich oder Abschnitt, der an den Nickeldraht des Siebs angrenzt, hat das Erscheinungsbild einer im Wesentlichen festen oder gleichförmigen Schicht, die mit Rissen oder Sprüngen durchzogen ist. Das Verhältnis von Nickel zu Aluminium (Gewichtsverhältnis) in diesem inneren Bereich oder Abschnitt der Beschichtung beträgt wenigstens 4 zu 1. Im Gegensatz hierzu hat die Beschichtung, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren hergestellt worden ist, lediglich einen Bereich oder Abschnitt, der das Erscheinungsbild einer festen oder gleichförmigen Schicht hat (siehe 2 und 4).
Zudem hat die Beschichtung, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren hergestellt worden ist, nicht so viele Risse oder Sprünge wie der innere Bereich oder Abschnitt der Beschichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist. Zudem ist die Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (vor der Auslaugstufe) überwiegend aus Ni₂Al₃ aufgebaut. Nach der Auslaugstufe ist das Verhältnis von Nickel zu Aluminium in dieser Beschichtung etwa 3,3 zu 1.
Die zweiteilige Struktur der erfindungsgemäßen Beschichtung in Kombination mit der erhöhten Anzahl an Rissen oder Sprüngen in der Beschichtung ergibt einen vergrößerten Oberflächenbereich, der für die Wechselwirkung mit der Außenumgebung zur Verfügung steht. Zudem hat die erfindungsgemäße Beschichtung auch ein größeres Verhältnis von Nickel zu Aluminium als die Beschichtung nach dem Classical Pack Verfahren. Die Kombination dieser Unterschiede ergibt ein aktiviertes Nickelsieb (das heißt erfindungsgemäßes Sieb), das überlegene Eigenschaften (zum Beispiel überlegene katalytische Eigenschaften) im Vergleich zu dem aktivierten Nickelsieb aufweist, das nach dem Classical Pack Cementation Verfahren erhalten wird.
Ein weiterer Hauptvorteil des erfindungsgemäßen innovativen Beschichtungsprozesses im Vergleich zu dem Classical Pack Cementation Verfahren ist, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kontinuierlich durchgeführt werden kann, wohingegen das Classical Pack Cementation Verfahren ein arbeitsintensives Batchverfahren ist. Genauer gesagt, da für das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung (1) ein einfaches Tauchbeschichtungsverfahren für die Beschichtung des Nickelsiebs mit Aluminiumpulver und (2) eine kurze Erhitzungsstufe eingesetzt wird, ist es möglich, das Verfahren kontinuierlich durchzuführen, wobei ein aufgewickeltes Sieb langsam entrollt und zunächst durch eine Tauchbeschichtungsstation geführt wird, in der das Sieb mit einer Aluminium enthaltenden Aufschlämmung beschichtet wird, und dann das mit der Aufschlämmung beschichtete Sieb durch eine Heizeinheit geführt wird, in der der flüssige Bestandteil der Aufschlämmung entfernt wird, bevor das Sieb durch einen Ofen geführt wird, damit das Aluminiumpulver in die Oberfläche des Nickeldrahts diffundiert, aus dem das Sieb gebildet ist. Der Einsatz eines Pulverbettes in der Beschichtungsstufe zu Beginn und die extrem langen Verarbeitungszeiten, die für das Classical Pack Cementation Verfahren erforderlich sind, würden ein derartiges kontinuierliches Verfahren ausschließen.
Die durchschnittliche Teilchengröße des Aluminiumpulvers, das für die Ausbildung der Aufschlämmung aus Aluminiumpulver für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird, sollte vorzugsweise kleiner als 40 μm, aber vorzugsweise größer als etwa 5 μm sein. Eine zu kleine Teilchengröße bewirkt ein vorzeitiges Aufschmelzen und Abtropfen des Aluminiums von dem Sieb während des Erhitzungsvorgangs, wohingegen eine zu große Teilchengröße zu einer unvollständigen Beschichtung des Siebs führt. Insbesondere bevorzugt ist eine Teilchengröße für das Aluminiumpulver zwischen 5 und 20 μm.
Während der Auslaugstufe wird Aluminium aus den Nickelaluminiden in der Beschichtung nach dem selben Verfahren entfernt, wie es für das Classical Pack Cementation Verfahren eingesetzt wird. Genauer gesagt, werden die beschichteten Nickelsiebe etwa eine Stunde bei einer Temperatur von etwa 180 bis 212°F (82–100°C), vorzugsweise von etwa 200 bis 212°F (93–100°C), in eine Lösung eingetaucht, die etwa 20 Gewichtsprozent Natrium- oder Kaliumhydroxid in Wasser enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren als zusätzliche Stufe das Spülen der Zwischenschicht mit Wasser nach der Auslaugstufe. Die Spülstufe wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 180 bis 212°F (82–100°C) durchgeführt.
Das Verfahren kann auch eine Stufe umfassen, in der die Zwischenschicht passiviert wird, um auf der Oberfläche des Nickelkörpers die fertige Beschichtung auszubilden, wobei diese Stufe als erstes das Inkontaktbringen der Zwischenschicht mit Wasser, vorzugsweise bei einer Temperatur von 180 bis 212°F (82–100°C), und anschließend das Inkontaktbringen der Zwischenschicht mit einer Lösung aus Wasserstoffperoxid in Wasser umfasst.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens verglichen mit dem Classical Pack Cementation Verfahrens liegt darin, dass eine Beschichtung mit einem höheren Nickel zu Aluminium Verhältnis ausgebildet wird.
Demgemäß wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Gegenstand zur Verfügung gestellt, der einen Nickelkörper umfasst, der eine Beschichtung hat, wobei die Beschichtung wenigstens zwei Abschnitte enthält, umfassend einen ersten Abschnitt, der wenigstens 50 Gewichtsprozent Al₂Ni₂₁O₂₃ enthält, und einen zweiten Abschnitt, der wenigstens 50 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₄ enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der erste Abschnitt wenigstens 60%, insbesondere bevorzugt 75 bis 95% und am meisten bevorzugt 85 bis 99 Gewichtsprozent Al₂Ni₂₁O₂₃ und der zweite Abschnitt enthält wenigstens 60%, insbesondere bevorzugt 75 bis 95% und am meisten bevorzugt 85 bis 99 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₄.
Der Hauptvorteil der Verarbeitung nach dem innovativen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Vorgehensweise bei der Beschichtung. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine wesentliche Verringerung der Kosten durch eine Verringerung der Arbeitskosten, die mit dem Classical Pack Cementation Verfahren verbunden sind, erzielt werden. Zudem kann bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Freisetzung von unangenehmen und schädlichen Stäuben und Abgasen an die Umgebung, die mit dem Classical Pack Cementation Verfahren einhergeht, verringert oder sogar vermieden werden.
Unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren wird nunmehr eine Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei:
1 ein Diagramm ist, in dem der Strom (Ampere) gegen die angelegte Spannung (Volt) in einer elektrolytischen Zelle aufgetragen ist, die 25 Gewichtsprozent NaOH in Wasser bei 90°F (32°C) enthält, für Kathoden aus einem Sieb aus unbehandeltem reinen (virgin) Nickel, aus einem Nickelsieb, das nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (CPC) beschichtet worden ist, und aus einem Nickelsieb, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Inov Ctg) beschichtet worden ist. Als Anode wurde jeweils ein Sieb aus unbehandeltem (virgin) Nickel eingesetzt.
2 ist ein Schliffbild in 800-facher Vergrößerung, das einen Querschnitt durch ein Nickelsieb mit einer Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (Beispiel 1 – nach Auslaugen) zeigt.
3 ist ein Schliffbild in 800-facher Vergrößerung, das einen Querschnitt durch ein Nickelsieb mit einer Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Beispiel 2 – nach Auslaugen) zeigt.
4 ist ein Fotoschliffbild (inverted specimen current image) in 800-facher Vergrößerung, das einen Querschnitt durch ein Nickelsieb mit einer Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (Beispiel 1 – nach Auslaugen) zeigt.
5 ist ein Fotoschliffbild (inverted specimen current image) in 800-facher Vergrößerung, das einen Querschnitt durch ein Nickelsieb mit einer Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (Beispiel 2 – nach Auslaugen) zeigt.
6 ist ein Diagramm der Verweilzeit (Sekunden) gegenüber Temperatur von nicht passivierten Proben von Nickelsieben, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet worden sind, nach Selbstentzündung an Luft.
Die einschichtige Diffusionsbeschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren wurde als Ni₂Al₃ identifiziert, (das heißt vor den Stufen der Auslaugung und der Passivierung). Die Diffusionsbeschichtung mit zwei Abschnitten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wurde als NiAl₃ in dem äußeren Bereich oder Abschnitt und Ni₂Al₃ in dem inneren Bereich oder Abschnitt identifiziert, (das heißt vor den Stufen des Auslaugens und der Passivierung). Eine Elektronenstrahlmikroanalyse der beschichteten Siebe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach dem Classical Pack Cementation Verfahren zeigt nach Auslaugen (in einer Wasserlösung, die etwa 20 Gewichtsprozent Natrium- oder Kaliumhydroxid enthielt, bei 180–200°F (82–93°C)) und Passivierung (in Wasser über eine Stunde bei 180–212°F (82–100°C), worauf ein einstündiges Eintauchen in eine Wasserlösung bei 75°F (24°C) folgt, die etwa 2–3% Wasserstoffperoxid enthielt), dass wesentlich mehr Aluminium aus der erfindungsgemäßen Beschichtung als aus der Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren ausgelaugt wurde. Dies bedeutet, dass die fertige aktivierte Beschichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, einen größeren Gehalt an aktiviertem Nickel enthält als die aktivierte Beschichtung, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren erhalten wird. Das entgültige (das heißt nach den Stufen des Auslaugens und der Passivierung) Verhältnis von Ni zu Al (bezogen auf das Gewicht) der einschichtigen aktivierten Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren betrug 3,3/1, während das der aktivierten Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren 22,6/1 in dem äußeren Abschnitt und 4,7/1 in dem inneren Abschnitt betrug.
Es wird auch angenommen, dass die größere Anzahl an Rissen, die in der aktivierten Beschichtung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu der Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren vorhanden ist, zu deren größerer Aktivität beiträgt. 2–5 zeigen eindeutig die erhöhte Anzahl an Rissen oder Poren in der erfindungsgemäßen Beschichtung. Zudem wurde der Oberflächenbereich bestimmt, indem der Oberflächenperimeter von beiden aktivierten Beschichtungen mit 200-facher Vergrößerung gemessen wurde. Der Beschichtungsperimeter der erfindungsgemäßen Beschichtung war etwa zweimal größer als der der Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (das heißt, für beschichtete Nickeldrähte, wobei der Durchmesser der Nickeldrahtkerne und die Beschichtungsdicke für beide Proben annähernd gleich waren). Zudem wurden die Oberflächenbereiche von beiden Beschichtungen nach der allgemein bekannten BET Gasadsorptionstechnik bestimmt. Beschichtet Siebproben wurden in Vakuum 15 Minuten bei 275°C erhitzt und dann für die Adsorption auf den Oberflächen der Beschichtungen Stickstoff ausgesetzt. Die Menge an Stickstoff, die an der Oberfläche der Beschichtungen adsorbiert wurde, stellt ein Maß für den Oberflächenbereich dar. Die Ergebnisse dieses Tests waren wie folgt: 18,8 m²/g für die erfindungsgemäße aktivierte Beschichtung und 11,5 m²/g für die aktivierte Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren. Der erhöhte spezifische Oberflächenbereich der erfindungsgemäßen aktivierten Beschichtung ist ein weiterer wesentlicher Faktor, der zu der erhöhten Aktivität der erfindungsgemäßen Beschichtung beiträgt (das heißt im Vergleich zu der aktivierten Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren).
Die Passivierung der aktivierten Beschichtung vor Verwendung ist wesentlich, wenn der beschichtete Nickelkörper Luft ausgesetzt werden muss, da die nicht passivierte Beschichtung an Luft pyrophor ist. Ein bevorzugtes Verfahren zur Passivierung der aktivierten Beschichtung umfasst das Inkontaktbringen der aktivierten Beschichtung (das heißt, nachdem die ausgelaugte Beschichtung in Wasser gespült worden ist) mit Wasser bei einer Temperatur von etwa 180–212°F (82–100°C) (üblicherweise für etwa eine Stunde) und anschließend das Inkontaktbringen der aktivierten Beschichtung mit einer Lösung aus Wasserstoffperoxid in Wasser. Die übliche Konzentration der Lösung beträgt etwa 2–5 Gewichtsprozent Wasserstoffperoxid in Wasser. Für diese Konzentration an Wasserstoffperoxid beträgt die Zeit, für die die aktivierte Beschichtung in Kontakt mit der Wasserstoffperoxidlösung gehalten wird, etwa eine Stunde.
Wird die Konzentration an Wasserstoffperoxid in der Lösung erhöht, verringert sich die Zeitdauer für die die aktivierte Beschichtung mit der Wasserstoffperoxidlösung in Kontakt gehalten wird. Die maximale Konzentration von kommerziell erhältlichen Lösungen von Wasserstoffperoxid in Wasser beträgt etwa 35 Gewichtsprozent Wasserstoffperoxid. Für diese Konzentration würde die aktivierte Beschichtung lediglich eine Kontaktdauer mit der Wasserstoffperoxidlösung von etwa 10–20 Minuten benötigen. Jedoch ist der Einsatz einer derart hochkonzentrierten Wasserstoffperoxidlösung weniger wünschenswert als der Einsatz einer schwächeren Lösung, da die Reaktion zwischen den Metallverbindungen in der aktivierten Beschichtung und dem Wasserstoffperoxid in der Lösung mit Zunahme der Konzentration des Wasserstoffperoxids heftiger wird. Daher ist die Verwendung einer Lösung von etwa 2–5% Wasserstoffperoxid in Wasser über eine Zeitdauer von etwa einer Stunde bevorzugt.
Beispiel 1
Classical Pack Cementation Beschichtung:

1. Einige 1 Inch auf 2,5 Inch (2,5×6,35 cm) Nickel 200 Siebe (National Standard Co., Woven-Filter-Fiber Division, mit 14 mil oder 0,014 InC (0,035 cm) Drahtstärke) werden in einem Ofen für 15 Minuten bei 400°F (204°C) an Luft durch Glühen gereinigt. Gemäß dem American Society for Metals Handbook Desk Addition (1985) umfasst die nominale Zusammensetzung von Nickel 200 99,5% Ni; 0,08% C; 0,18% Mn; 0,005% S; 0,18% Si; 0,13% Cu und 0,2% Fe.
2. Herstellen einer Pulvermischung, die 20 Gewichtsprozent Aluminium (V-125, Valimet, Inc., durchschnittliche Teilchengröße 40 μm), 79,5 Gewichtsprozent kalziniertes Aluminiumoxid (A-12, East Technical Chemical Co., durchschnittlicher Teilchendurchmesser 40 μm) und 0,5 Gewichtsprozent Aluminiumchlorid (97% Aluminiumchlorid, Aldridge Chemical Co.) enthält.
3. Eingraben der Nickelsiebe in die Pulvermischung, die in einer Retorte aus einer Legierung auf Nickelbasis enthalten ist (Inconel 600, International Nickel Co.).
4. Platzieren der Retorte in einen mit Gas befeuerten Ofen (gasbefeuerter vertikaler Ofen, American Gas Furnace Co.) und Erhitzen auf 950°F–1000°F (510–538°C) in einer Wasserstoffatmosphäre.
5. Nachdem die Innentemperatur des Ofens eine Temperatur von 950–1000°F (510–538°C) erreicht hat, Halten der Temperatur auf diesem Niveau für 25 Stunden.
6. Nach der 25-stündigen Heizperiode Abschalten des Ofens und Abkühlen lassen der Retorte unter einer Wasserstoffatmosphäre bis die Innentemperatur des Ofens weniger als 100°F (38°C) beträgt. Nachdem die Ofentemperatur weniger als 100°F (38°C) beträgt, Ausblasen des gesamten Wasserstoffes mit Argongas und dann Entnahme der Retorte aus dem Ofen, Öffnen der Retorte und Herausnehmen der Siebe, Abblasen von restlichen Pulver von den Sieben (mit Druckluft) und Waschen der Siebe in Leitungswasser bei Raumtemperatur und Trocknen an Luft.
7. Platzieren der gewaschenen Siebe in eine Wasserlösung, die 20 Gewichtsprozent Natriumhydroxid enthält, für eine Stunde bei 180–212°F (82–100°C), um Aluminium aus der Beschichtung auszulaugen.
8. Spülen der ausgelaugten Siebe mit Leitungswasser bei Raumtemperatur und dann Platzieren der gespülten Siebe in heißes Wasser für eine Stunde bei 180–200°F (82–93°C).
9. Platzieren der Siebe in einer Lösung, die etwa 3 Gewichtsprozent Wasserstoffperoxid in Wasser enthält, über eine Stunde bei 75°F (24°C).
10. Spülen der Siebe in Wasser und dann Trocknen der Siebe an Luft. Die Siebe sollten nicht pyrophor sein, wenn sie Luft ausgesetzt werden. Die Gewichtszunahme der Siebe sollte etwa 5–6 mg/sqcm sein. Photoschliffbilder einer typischen Probe sind in 2 und 4 gezeigt.

Beispiel 2
Innovative Beschichtung nach der vorliegenden Beschichtung

1. Einige 1 Inch auf 2,5 Inch (2,5×6,35 cm) Nickel 200 Siebe (Nickel 200 Woven screens, 20×20 mesh, 0,014 Inch (0,035 cm) Strangdicke. National Standard Co. Woven-Filter-Fiber Div.) werden in einen Ofen für 15 Minuten bei 400°F (204°C) an Luft heißt gereinigt.
2. Herstellen einer Dispersion aus 150 Gramm Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 8–10 μm (H-10 Valimet, Inc.) in einem organischen Medium, das aus 275 g einer nicht brennbaren Mischung aus 17% Ethylmethacrylat (B-72, Rohm and Haas) und 83% n-Propylbromid (Hyersolve NPB, Great Lakes Chemical Corp.) besteht.
3. Eintauchen der Siebe in die Dispersion, die unter Absatz 2 beschrieben ist, unter sachtem Rühren und stufenweises Entfernen der Siebe aus der Dispersion, während warme Luft über die Siebe geblasen wird, um eine trockene Beschichtung zu erhalten. Die Beschichtung sollte die Drähte des Siebs komplett beschichten. Falls erforderlich, kann das Tauch- und Trockenverfahren wiederholt werden, bis alle Drähte des Siebs vollständig mit der getrockneten Dispersion beschichtet sind.
4. Langsames Hineingeben der beschichteten Siebe in eine Röhre eines elektrischen Ofens, der auf die Haltetemperatur vorerhitzt worden ist, und dann Halten der beschichteten Siebe bei der Haltetemperatur unter einer Wasserstoffatmosphäre für die nachstehend angegebene Zeit:
a. etwa 1450°F (288°C) für etwa 5 Minuten ergibt eine Beschichtung mit einer Dicke von weniger als 1 mil (0,025 mm),
b. etwa 1450°F (288°C) für etwa 15 Minuten ergibt eine Beschichtungsdicke von etwa 2 mil (0,05 mm),
c. etwa 1550°F (843°C) für etwa 5 Minuten ergibt eine Beschichtungsdicke von etwa 2 mil (0,05 mm),
d. etwa 1650°F (899°C) für etwa 5 Minuten ergibt eine Beschichtungsdicke von etwa 3 mil (0,076 mm),
e. etwa 1750°F (954°C) für etwa 2 Minuten ergibt eine Beschichtungsdicke von 2 mil (0,05 mm).
5. Schrittweises Herausnehmen der Siebe aus der Ofenröhre und Abkühlen lassen der Siebe auf Raumtemperatur. Nachdem die Siebe auf Raumtemperatur abgekühlt sind, werden die Siebe in eine Lösung, die etwa 20 Gewichtsprozent Natriumhydroxid in Wasser enthält, für etwa 1 Stunde bei etwa 200–212°F (93–100°C) eingetaucht, um einen Großteil des Aluminiums aus der Beschichtung auszulaugen.
6. Nach dem Auslaugen werden die beschichteten Siebe in Wasser gespült und dann in heißes Wasser für etwa 1 Stunde bei etwa 180–212°F (82–100°C) getaucht.
7. Nach dem in Absatz 6 beschriebenen Spülen und Tauchen werden die beschichteten Siebe in eine Lösung, die etwa 2 bis 5% Wasserstoffperoxid in Wasser enthält, für etwa 1 Stunde bei etwa 75°F (24°C) getaucht, und dann werden die Siebe in Wasser gespült und an Luft bei Raumtemperatur getrocknet. Die beschichteten Siebe sollten nicht pyrophor sein, wenn sie Luft ausgesetzt werden. Die Gewichtszunahme des Siebs gemäß (a) betrug nur etwa 0,4 mg/sqcm. Für die Siebe gemäß (b)–(e) betrug die Gewichtszunahme etwa 5–6 mg/sqcm. Die Fotoschliffbilder, die in 3 und 5 gezeigt sind, sind typisch für Siebe (b) bis (e).

1 zeigt die Leistung von beschichteten Nickelsiebe nach dem Classical Pack Cementation Verfahren und von beschichteten Nickelsieben gemäß der Erfindung (zum Beispiel die Siebe, die gemäß b, c, d und e erhalten werden). Sieb a, auf dem sich keine ausreichende Beschichtung entwickelt hatte, war etwas schlechter als die Beschichtungen nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (CPC). Das aktivierte Sieb, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wurde und durch die "Inov Ctg." Linie in 1 repräsentiert wird, ist Sieb c aus Beispiel 2. Das aktivierte Sieb, das nach dem CPC Verfahren erhalten wurde, und in 1 durch die "CPC"-Linie repräsentiert wird, ist das Sieb, das gemäß Beispiel 1 erhalten wurde.
Das "reine" Sieb ("Virgin") in 1 war das unbehandelte Nickelsieb, das in Beispielen 1 und 2 verwendet wurde (vor der Beschichtung). Die Daten, aus denen 1 erzeugt wurde, sind in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Für das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren kann anstelle des Aluminiumpulvers mit einer Teilchengröße von 8–10 μm Aluminiumpulver verwendet werden, das eine Teilchengröße in einem Bereich von etwa 5 μm bis 40 μm hat. Beträgt die Teilchengröße des Aluminiumpulvers weniger als 5 μm kann das Aluminium zu schnell schmelzen und während der Erhitzungsstufe von dem Sieb abtropfen. Ist die Teilchengröße des Aluminiumpulvers größer als etwa 40 μm kann eine unzureichende Benetzung und unvollständige Beschichtung der Drähte des Nickelsiebs auftreten.
Für das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren können anstelle des nicht entflammbaren n-Propylbromids entflammbare Lösungsmittel wie Aceton eingesetzt werden. Aceton hat jedoch eine geringere Dichte (0,79 g/cc) als n-Propylbromid (1,43 g/cc) und es wird daher mehr von dem Acrylatharz benötigt, um die Viskosität zu erhöhen, um das Aluminiumpulver ausreichend zu dispergieren. Es können auch andere Lösungsmittel wie Trichlorethylen und 1-1-1-Trichlorethan eingesetzt werden, die beide eine Dichte haben, die in etwa der Dichte von n-Propylbromid entspricht, unter Umwelt oder Toxizitätsgesichtspunkten sind diese jedoch beanstandbar.
Das Ethylmethacrylatcopolymer oder -polymer kann durch andere Acrylatharze einschließlich von Polymeren oder Copolymeren von Methylmethacrylat mit den selben guten Ergebnissen ersetzt werden.
Das erfindungsgemäße innovative Beschichtungsverfahren kann auch in einem wässrigen System durchgeführt werden. Beispielsweise wurde das Verfahren gemäß Beispiel 2 mit den nachstehend diskutierten Änderungen wiederholt. In Stufe 2 wurde eine Dispersion aus 2000 Gramm Aluminiumpulver mit einer Teilchengröße von etwa 8–10 μm in 388 Gramm Wasser, das 24 Gramm Polyvinylalkoholharz und 388 Gramm Propanol enthielt, anstelle der Dispersion gemäß Beispiel 2 eingesetzt. Wird ein System auf Wasserbasis eingesetzt, müssen die mit der Dispersion beschichteten Nickelsiebe in Stufe 3 bei 300°F (149°C) für etwa 15 Minuten in einem warmen Luftstrom getrocknet werden, um vor der Stufe der Aluminiumdiffusion, die bei 1500°F (843°C) über 5 Minuten durchgeführt wurde, eine Beschichtung zu erzielen, die ausreichend trocken ist. Nach den Stufen des Auslaugens und der Passivierung wurden die beschichteten Siebe in einer elektrolytischen Zelle mit 25 Gewichtsprozent NaOH in Wasser getestet, die eingesetzt wurde, um die Daten gemäß 1 zu erhalten. Die Nickelsiebe, die mit einem System auf Wasserbasis beschichtet wurden, ergaben die selben guten Resultate wie die Nickelsiebe, die in einem organischen Lösungsmittelsystem beschichtet wurden.
Beispiel 3
Kontinuierliche Behandlung einer Vorratsrolle aus Nickelsieb
Das erfindungsgemäße innovative Verfahren kann dazu eingesetzt werden, Rollen aus Nickelsieb nach der folgenden Vorgehensweise kontinuierlich zu beschichten:

1. Eine 3 Inch breite (7,6 cm)×70 Fuß lange (21,3 m) Rolle aus Nickel 200 Sieb (Nickel 200 Woven Screen, 20×20 mesh, 0,014 Inch, Strangdicke (0,035 cm), National Standard Co. Woven-Filter-Fiber Division) mit einem Drahtdurchmesser von 0,014 mil (0,35 μm) und 380 Löchern pro Quadratinch wurde für etwa 10 Minuten bei etwa 400°F (204°C) heiß gereinigt.
2. Kontinuierliches Entrollen und Führen des Siebs durch ein nicht entflammbares Bad, das eine Dispersion aus 1510 Gramm Aluminiumpulver mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 8–10 μm (H-10, Valimet Inc.) in 412 Gramm Ethylmethacrylatcopolymer (B-72, Rohm and Haas) und 2336 Gramm n-Propylbromid (Hypersolve NPB, Great Lakes Chemical Corp.) enthielt.
3. Kontinuierliches Führen des mit der Dispersion beschichteten Siebs gemäß Stufe 2 zwischen erwärmten Strahlungsröhren, um das n-Propylbromid zu verdampfen. Proben, die nach Stufe 3 aber vor Stufe 4 entnommen wurden, hatten ein Beschichtungsgewicht von etwa 18,8 mg/sqcm.
4. Kontinuierliches Führen des beschichteten Siebs gemäß Stufe 3 durch einen elektrischen Ofen mit einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 1630°F (888°C) mit einer Geschwindigkeit von etwa ein (1) Fuß pro Minute (0,005 m/s), sodass die Verweilzeit des beschichteten Siebs in dem Ofen etwa zwei Minuten betrug. Eine Probe, die genommen wurde, nachdem das beschichtete Sieb den Ofen verlassen hatte, wurde einer gravimetrischen Gewichtsbestimmung unterzogen, die ein Beschichtungsgewicht von etwa 15,3 mg/sqcm ergab
5. Wiederaufwickeln des beschichteten Siebst.
6. Eintauchen der Rolle aus beschichteten Sieb in eine Lösung von etwa 20 Gewichtsprozent NaOH in Wasser für etwa 40 Minuten bei etwa 180–200°F (82–93°C), um Aluminium aus der Beschichtung auszulaugen
7. Nach dem Auslaugen wird die Rolle aus beschichtetem Sieb in Wasser gespült und anschließend für etwa eine Stunde bei etwa 180–210°F (82–99°C) in Wasser getaucht.
8. Nach Stufe 7 wird die Rolle in eine Lösung aus etwa 3% Wasserstoffperoxid in Wasser für etwa eine Stunde bei etwa 75°F (24°C) getaucht.
9. Nach Stufe 8 wird die Rolle in Wasser gespült und dann getrocknet.
10. Das aufgewickelte Sieb kann nun entrollt werden und auf die gewünschten Längen für den Einsatz als Kathoden in elektrolytischen Zellen für die Erzeugung von Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode zugeschnitten werden.

Der Aktivitätsgrad der aktivierten Nickelsiebe kann auch über deren Wärmemenge bestimmt werden, wenn ein nicht passiviertes Nickelsieb Luft ausgesetzt wird. Nach Auslaugen und Spülen in Wasser ist das aktivierte Nickelsieb pyrophor und wird sich an Luft unmittelbar selbst entflammen und eine Wärmemenge freisetzen, die der freien Bildungsenergie der Oxidation von Nickel zu Nickeloxid entspricht. In 6 ist die Temperatur gegen die Verweilzeit (Haltezeit) für Proben nach dem Classical Pack Cementation Verfahren ("CPC") und nach dem erfindungsgemäßen innovativen Verfahren ("Inov Ctg.") gezeigt, nachdem sie einem Luftstrom von sechs Kubikfuß pro Sekunde ausgesetzt worden waren. Dieser Test zeigt eine beträchtlich größere Wärmeabgabe der aktivierten Nickelsiebe, die nach dem erfindungsgemäßen innovativen Verfahren hergestellt wurden. Dies zeigt, dass in der innovativen Beschichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist, eine größere Menge an aktiviertem Nickel vorliegt als in der Beschichtung nach dem Classical Pack Cementation Verfahren. Die Daten, die zu Erzeugung von 6 verwendet wurden, sind nachstehend in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
Die Probe des aktivierten Nickelsiebs, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde und durch die "Inov Ctg." Linie in 6 repräsentiert ist, war ein 1 Inch auf 2,5 Inch (2,54×6,35 cm) Abschnitt von Sieb b gemäß Beispiel 2. Die Probe des aktivierten Nickelsiebs nach dem CPC Verfahren und die durch die "CPC"-Linie in 6 repräsentiert wird, war ein 1 Inch auf 2,5 Inch (2,54×6,35 cm) Abschnitt des aktivierten Siebs nach Beispiel 1.
Die vorstehend genannten aktivierten Nickelsiebe gemäß Beispielen 2 und 3 enthalten inhärent eine Vielzahl an Löchern, zusätzlich zu den Poren und/oder Rissen in der aktivierten Beschichtung selbst, die für die Zirkulation des kaustischen Elektrolyten während der Elektrolysereaktion wesentlich sind, sodass Wasserstoff effektiv an der Kathode produziert werden kann. Es ist auch wichtig, dass die Anode ebenfalls Löcher für die effiziente Sauerstoffproduktion enthält. Anstelle der Nickelsiebe kann eine perforierte aktivierte Nickelfolie mit einer Dicke von mindestens 5 mils oder eine expandierte aktivierte Nickelfolie mit Schlitzöffnungen und mit einer Dicke von etwa 10 mils (0,025 cm) wirkungsvoll anstelle des Siebs eingesetzt werden. Obwohl der Leistungsgrad der perforierten Folie und der expandierten Nickelfolie nicht ganz so gut ist, wie der des aktivierten Nickelsiebs, weisen sie mindestens die selbe Aktivität wie die Beschichtungen nach dem Stand der Technik auf, die nach dem Classical Pack Cementation Verfahren erhalten werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Nickelsiebe gepresst (zum Beispiel mit einer oder mehren Walzen oder zwischen zwei Walzen) bevor sie mit dem Aluminiumpulver beschichtet werden. Diese Pressstufe verflacht die Nickeldrähte, die das Nickelsieb bilden. Das erhaltene verflachte Sieb hat einen dünneren Querschnitt und geringfügig kleinere Löcher aber ähnelt noch dem Sieb. Nach der Pressstufe wird das erhaltene verflachte Nickelsieb den selben Verfahrensstufen unterzogen, die entweder in Beispiel 2 oder Beispiel 3 (falls das gepresste Sieb in einem kontinuierlichen Verfahren verwendet wird) ausgeführt sind. Das gepresste Nickelsieb kann schneller beschichtet werden als das nicht gepresste Nickelsieb, wodurch die Produktionsrate an beschichteten Nickelsieben verbessert wird.
Querschnitte des aktivierten Nickelsiebs gemäß Beispiel 1 (Classical Pack Cementation Verfahren) und von Beispiel 2 (vorliegende Erfindung) wurden für Elektronenstrahlmikroanalysen (EPA) mit Rasterelektronenmikroskopie mit Energie dispersiver Röntgenspektroskopie (SEM; Scanning electron microscopy energy dispersive x-ray spectroscopy) genommen.
Sekundärelektronenabbildungen (SEI, secondary electron images) der Siebe gemäß Beispiel 1 beziehungsweise Beispiel 2 sind in den Fotoschliffbildern gemäß 2 und 3 gezeigt. Inverse Abbildungen (ISC, inverted specimen current images) sind jeweils in den Fotoschliffbildern in 4 und 5 gezeigt.
Das aktivierte Nickelsieb nach dem Classical Pack Cementation Verfahren (Beispiel 1 – nach Auslaugen), und das in 2 und 4 gezeigt ist, hat bei 800-facher Vergrößerung eine einheitliche Beschichtung mit einer Schicht mit wenigen sichtbaren Rissen.
Das aktivierte Nickelsieb, das nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist (Beispiel 2 – nach Auslaugen) und das in 3 und 5 gezeigt ist, hat eine Beschichtung mit zwei Bereichen oder Abschnitten mit zahlreichen Rissen in jedem Bereich oder Abschnitt, die bei 800-facher Vergrößerung klar sichtbar sind.
Die quantitative Elektronenstrahlmikroanalyse ergibt die folgenden Gewichtsprozente der angegebenen Elemente für die Proben, die in 2 (Beispiel 1 – nach dem Auslaugen und der Passivierung) und 3 (Beispiel 2 – nach dem Auslaugen und der Passivierung) dargestellt sind.
Tabelle 3
Auf Grundlage der in Tabelle 3 zur Verfügung gestellten Informationen konnte festgestellt werden, dass die Nickel-Aluminium-Verbindung in dem oberen Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung, nach Auslaugen und Passivierung, eine empirische Formel Al₂Ni₂₁O₂₃ hat, wohingegen die Nickel-Aluminium-Verbindung in dem unteren Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung nach dem Auslaugen und der Passivierung eine empirische Formel Al₂Ni₄O₄ hat.
Der obere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung enthält nach dem Auslaugen und der Passivierung wenigstens 50 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₂₁O₂₃. Der untere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung enthält nach dem Auslaugen und der Passivierung wenigstens 50 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₄O₄.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der obere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung nach dem Auslaugen und der Passivierung wenigstens 60 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₂₁O₂₃ und der untere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung enthält nach dem Auslaugen und der Passivierung wenigstens 60 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₄O₄.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der obere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung nach Auslaugen 75 bis 95 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminiumverbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₂₁O₂₃ und der untere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung enthält nach dem Auslaugen und der Passivierung 75 bis 95 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₄O₄.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der obere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung nach dem Auslaugen und der Passivierung 85 bis 99 Gewichtsprozent der Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₂₁O₂₃, und der untere Abschnitt der erfindungsgemäßen Beschichtung enthält nach dem Auslaugen und der Passivierung 85 bis 99 Gewichtsprozent Nickel-Aluminium-Verbindung mit der empirischen Formel Al₂Ni₄O₄.
Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll durch die spezifischen Beispiele und der in der vorstehenden Beschreibung gegebenen Erläuterungen nicht beschränkt werden. Ein Fachmann kann ohne weiteres die zahlreichen geringfügigen Abänderungen erkennen, die an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne deren Umfang wie er in den anliegenden Ansprüchen dargestellt ist, zu verlassen.

Claims

Gegenstand enthaltend einen Nickelkörper mit einer Beschichtung, wobei die Beschichtung wenigstens zwei Bereiche enthält, einschließlich eines ersten Bereichs, der wenigstens 50 Gewichtsprozent Al₂Ni₂₁O₂₃ enthält, und eines zweiten Bereichs, der wenigstens 50 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₄ enthält.
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich ein äußerer Bereich der Beschichtung ist, der mit dem zweiten Bereich in Kontakt steht, und wobei der zweite Bereich ein innerer Bereich der Beschichtung ist, der mit dem Nickelkörper in Kontakt steht.
Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Bereich wenigstens 90 Gewichtsprozent Al₂Ni₂₁O₂₃ und der zweite Bereich wenigstens 90 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₄ enthält.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung aus dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich besteht, und wobei der erste Bereich mit dem zweiten Bereich in Kontakt steht aber nicht mit dem Nickelkörper, und der zweite Bereich sowohl mit dem Nickelkörper als auch dem ersten Bereich in Kontakt steht.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich Risse oder Poren haben, und wobei der erste Bereich ein Gewichtsverhältnis von Nickel zu Aluminium von wenigstens 20 zu 1 hat und der zweite Bereich ein Gewichtsverhältnis von Nickel zu Aluminium von wenigstens 4 zu 1 hat.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich im Wesentlichen aus Al₂Ni₂₁O₂₃ und der zweite Bereich im Wesentlichen aus Al₂Ni₄O₄ besteht.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nickelkörper Löcher aufweist, die den Nickelkörper vollständig durchdringen.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nickelkörper ein Nickelsieb, eine perforierte Nickelfolie oder eine Nickelfolie mit schlitzförmigen Öffnungen ist.
Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Nickelkörpers umfassend die folgenden Schritte: a) Bedecken eines Nickelkörpers mit einer Dispersion, die im Wesentlichen aus Aluminiumpulver in einem Dispersionsmedium besteht, wobei eine erste Beschichtung auf dem Nickelkörper gebildet wird; b) Trocknen der ersten Beschichtung, um einen Teil des Dispersionsmediums zu entfernen, wobei eine Aluminiumpulverbeschichtung auf dem Nickelkörper ausgebildet wird; c) Erhitzen des Nickelkörpers, auf den die Aluminiumpulverbeschichtung aufgebracht ist, in einen Ofen in einer Wasserstoff- oder Inertatmosphäre, sodass verbleibende Anteile an Dispersionsmedium entfernt werden und Aluminium in die Oberfläche des Nickelkörpers diffundiert, wobei eine Zwischenschicht auf der Oberfläche des Nickelkörpers ausgebildet wird; und d) Auslaugen von wenigstens einem Teil des Aluminiums in der Zwischenschicht, indem die Zwischenschicht mit einem Laugmedium in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Nickelkörper Löcher hat, die den Nickelkörper vollständig durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Dispersionsmedium ein wasserlösliches polymeres Bindemittel in wässriger Lösung enthält.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Dispersionsmedium ein polymeres Bindemittel, das in einem organischen Lösungsmittel gelöst ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das organische Lösungsmittel normales Propylbromid, Aceton, Trichlorethylen oder 1-1-1-Trichlorethan ist, und wobei das polymere Material ein Acrylatharz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13 zudem umfassend die Schritte: e) Spülen der Zwischenschicht mit Wasser nach dem Auslaugen; und f) Passivierung der Zwischenschicht unter Ausbildung einer entgültigen Beschichtung auf der Oberfläche des Nickelkörpers, wobei das Passivieren erstens das Inkontaktbringen der Zwischenschicht mit Wasser bei einer Temperatur von 180 bis 212°F (82 bis 100°C) und dann das Inkontaktbringen der Zwischenschicht mit einer Lösung aus Wasserstoffperoxid in Wasser umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei nach Schnitt (f) die entgültige Beschichtung im Wesentlichen aus einem inneren Bereich, der mit dem Nickelkörper in Kontakt steht, und einem äußeren Bereich besteht, der mit dem inneren Bereich aber nicht mit dem Nickelkörper in Kontakt steht, wobei zudem der äußere Bereich wenigstens 90 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₂₃ und der innere Bereich wenigstens 90 Gewichtsprozent Al₂Ni₄O₄ enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei in Schritt c) der Nickelkörper, der mit der Aluminiumpulverschicht beschichtet ist, auf eine Temperatur von 1400°F bis 1750°F (760 bis 954°C) erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei in Schritt c) der Nickelkörper, der mit der Aluminiumpulverschicht beschichtet ist, auf eine Temperatur von 1400 bis 1500°F (760 bis 816°C) für eine Zeit von 2 Minuten bis 30 Minuten erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei in Schritt c) der Nickelkörper, der mit der Aluminiumpulverschicht beschichtet ist, auf eine Temperatur von 1550 bis 1750°F (843 bis 954°C) für eine Zeit von 1 Minute bis 30 Minuten erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei das Laugmedium im Wesentlichen eine Lösung aus 20 bis 25 Gewichtsprozent Natrium- oder Kaliumhydroxid in Wasser bei einer Temperatur von 180 bis 200°F (82 bis 93°C) enthält.
Gegenstand erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19.
Kathode zur Anwendung in einer Elektrolysezelle, wobei die Kathode ein Gegenstand ist, wie er in einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 20 beansprucht wird.