EP0094577A2 - Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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EP0094577A2 EP83104513A EP83104513A EP0094577A2 EP 0094577 A2 EP0094577 A2 EP 0094577A2 EP 83104513 A EP83104513 A EP 83104513A EP 83104513 A EP83104513 A EP 83104513A EP 0094577 A2 EP0094577 A2 EP 0094577A2
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    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds

Definitions

  • the invention relates to a cathode for chlor-alkali electrolysis, in particular according to the diaphragm or membrane method, which has an activation layer made of Raney nickel on a support made of soft iron or steel.
  • the invention further relates to a method for producing such cathodes.
  • Cathodes of the type described in the introduction are commercially available.
  • the Raney nickel activation layer is rolled on.
  • the electrolyte liquor causes corrosion damage, which manifests itself, for example, in the formation of bubbles in the nickel layer as well as a partial solution of the nickel layer from the support and leads to flaking off of the nickel layer .
  • Rolling the Raney nickel layer requires flat supports, which can only be deformed into the desired cathode shape after coating, which also means that flaking of the coating on curved cathode regions cannot be ruled out.
  • the invention has for its object to provide a cathode for chlor-alkali electrolysis, which has a high corrosion resistance to the electrolyte solution, very low hydrogen deposition potentials and also a high adhesive strength of the activation layer on the carrier, even when the carrier is deformed.
  • the activation layer consists of a 30 to 60 ⁇ m thick and dense nickel underlayer which is connected to the support and on which a porous Raney nickel cover layer with a rougher surface Surface and a layer thickness of 20 to 60 microns is attached.
  • a method for the production of a cathode for chlor-alkali electrolysis, in particular according to the diaphragm or membrane method, with an activation layer of Raney nickel applied to a carrier made of soft iron or steel, a method has proven particularly useful, which is characterized in that the cleaned carrier surface first a 30 to 60 ⁇ m thick, dense nickel underlayer is sprayed on using the plasma jet process, then a 20 to 60 ⁇ m thick top layer is then sprayed on using the plasma jet process is sprayed on from a nickel-aluminum mixture with an aluminum content of 10 to 50%, the rest of nickel, from which the aluminum is then leached. 1N NaOH is preferably used to leach the aluminum.
  • the method is particularly suitable for supports which are deformed into the desired cathode shape before being coated with the underlayer and the top layer.
  • a nickel powder with a grain size in the range from 10 to 60 ⁇ m is preferably used for spraying on the underlayer.
  • the use of a powder mixture of 50 parts of nickel and 50 parts of aluminum with a grain size in the range from 10 to 60 ⁇ m has proven useful for spraying on the top layer.
  • the cathodes according to the invention showed only extraordinarily little corrosion damage when stored for 3 weeks in a current-free storage in a diaphragm cell solution with the composition 150 g / 1 NaOH + 130 g / 1 NaCl, while cathodes according to the prior art sometimes show strong detachment of the nickel layer, pitting and blistering through which the nickel layer partially flaked off.
  • the cathodes showed similar results under operating conditions.
  • the method according to the invention is suitable not only for the coating of planar supports, but in particular also for those supports which have already been deformed into the desired cathode shape before coating, because There are no difficulties due to the spraying on of both the bottom and the top layer by means of the plasma spraying method, since the plasma spraying jet also reliably reaches curved or bent surface parts of the carrier.
  • FIG. 1 shows a section of an exemplary embodiment of a cathode according to the invention, FIG. 1 a showing a view and FIG. 1 b a vertical section along the plane A-B.
  • the reference number 1 denotes the cathode in the figure. It consists, as can be seen from FIG. 1b, of a carrier 12 made of soft iron or steel, the lower layer 3 made of nickel layer sprayed on by means of the plasma jet method and the porous covering layer 4 made of Raney nickel produced thereon by the method according to the invention. It is clearly evident from the figures that the cover layer has a rough surface.

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Abstract

Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse, insbesondere nach dem Diaphragma- oder Membranverfahren, mit einem Träger aus Weicheisen oder Stahl, einer darauf aufgebrachten 30 bis 60 µm dicken und dichten Nickel-Unterschicht, die mit einer porösen Raney-Nickel-Deckschicht mit rauher Oberfläche und einer Schichtdicke von 20 bis 60 µm bedeckt ist. Die Unter- und die Deckschicht werden mittels Plasmaspritzverfahren hergestellt, wobei zur Herstellung der Deckschicht ein Pulvergemisch aus Nickel und Aluminium-Pulver aufgespritzt wird, und das Aluminium anschliessend ausgelaugt wird. Anstelle des Aluminiums kann auch Zink verwendet werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse, insbesondere nach dem Diaphragma- oder MembranVerfahren, die auf einem Träger aus Weicheisen oder Stahl eine Aktivierungsschicht aus Raney-Nickel aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Kathoden.
  • Kathoden der eingangs charakterisierten Art sind handelsüblich. Bei diesen Kathoden ist die Aktivierungsschicht aus Raney-Nickel aufgewalzt. Bei diesen bekannten Kathoden ist nicht auszuschließen, daß durch die Elektrolytlauge Korrosionsschäden hervorgerufen werden, die sich beispielsweise in der Bildung von Blasen in der Nickel-Schicht souie einer teilweisen Lösung der Nickel-Schicht von dem Träger äußern und zu einem Abblättern der Nickel-Schicht führen. Das Aufwalzen der Raney-Nickel-Schicht setzt ebene Träger voraus, die erst nach der Beschichtung in die gewünschte Kathodenform verformt werden können, wodurch ebenfalls ein Abplatzen der Beschichtung an gekrümmten Kathodenbereichen nicht auszuschließen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse zu schaffen, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegen die Elektrolytlauge, sehr niedrige Wasserstoffabscheidungspotentiale und außerdem eine hohe Haftfestigkeit der Aktivierungsschicht auf dem Träger aufweist, selbst bei verformtem lräger.
  • Gelöst wird diese Aufgabe für eine Kathode der eingangs charakterisierten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die Aktivierungsschicht aus einer 30 bis 60 µm dicken und dichten Nickel-Unterschicht, die mit dem Träger verbunden ist, besteht, auf der eine poröse Raney-Nickel-Deckschicht mit rauher Oberfläche und einer Schichtdicke von 20 bis 60 µm angebracht ist.
  • Weitere vorteilhafte Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kathode ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Zur Herstellung einer Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse, insbesondere nach dem Diaphragma- oder Membranverfahren, mit einer auf einem Träger aus Weicheisen oder Stahl aufgebrachten Aktivierungsschicht aus Raney-Nickel hat sich insbesondere ein Verfahren bewährt, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß auf die gereinigte Trägeroberfläche zunächst eine 30 bis 60 µm dicke, dichte Nickel-Unterschicht mittels Plasmastrahlverfahren aufgespritzt wird, auf die dann mittels Plasmastrahlverfahren eine 20 bis 60 µm dicke Deckschicht aus einem Nickel-Aluminium-Gemisch mit einem Aluminiumgehalt von 10 bis 50 %, Rest Nickel, aufgespritzt wird, aus der anschließend das Aluminium ausgelaugt wird. Zur Auslaugung des Aluminiums verwendet man vorzugsweise 1 n NaOH. Besonders geeignet ist das Verfahren für Träger, die vor der Beschichtung mit der Unterschicht und der Deckschicht in die gewünschte Kathodenform verformt werden. Zum Aufspritzen der Unterschicht wird vorzugsweise ein Nickelpulver einer Korngröße im Bereich von 10 bis 60 µm verwendet. Zum Aufspritzen der Deckschicht hat sich die Verwendung eines Pulvergemisches aus 50 Teilen Nickel und 50 Teilen Aluminium einer Korngröße im Bereich von 10 bis 60 p.m bewährt.
  • Die erfindungsgemäßen Kathoden zeigten bei einer 3-wöchigen stromlosen Lagerung in einer Diaphragmenzellenlauge der Zusammensetzung 150 g/1 NaOH + 130 g/1 NaCl nur außerordentlich geringe Korrosionsschäden, während Kathoden gemäß dem Stand der Technik teilweise starke Ablösungen der Nickel-Schicht, Lochfraß sowie Blasenbildung aufwiesen, durch die die Nickel- schicht teilweise abplatzte. Ähnliche Ergebnisse zeigten die Kathoden unter Betriebsbedingungen. Messungen des Wasserstoff-Abscheidungspotentials ergaben, daß gegenüber Kathoden mit einer Aktivierungsschicht, die durch Spritzen von reinem Ni erzeugt wurden, die erfindungsgemäßen Kathoden bei 10 kA/m2 ein um etwa 50 bis 100 mV geringeres Potential aufwiesen, was zu erheblichen Energieeinsparungen beim Einsatz der erfindungsgemäßen Kathoden in der Chloralkali-Elektrolyse führt. Das niedrige Wasserstoffpotential erfindungsgemäßer Kathoden, das bei 10 kA/m2 etwa 1,25 V gegen gesättigte Kalomel-Elektrode beträgt, ist vermutlich auf die größere Oberfläche der porösen Raney-Nickel-Deckschicht zurückzuführen. Hervorzuheben ist, daß das erfindungsgemäße Verfahren sich nicht nur für die Beschichtung ebener Träger eignet, sondern insbesondere auch für solche Träger, die vor der Beschichtung bereits in die gewünschte Kathodenform verformt sind, weil durch das Aufspritzen sowohl der Unter- als auch der Deckschicht mittels Plasmaspritzverfahren keine Schwierigkeiten entstehen, da der Plasmaspritzstrahl auch gekrümmte oder geknickte Flächenteile des Trägers sicher erreicht.
  • In der Figur 1 ist ein Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kathode dargestellt, wobei Figur la eine Ansicht zeigt und Figur lb einen Vertikalschnitt entlang der Ebene A-B.
  • Mit der Bezugsziffer 1 ist in der Figur die Kathode bezeichnet. Sie besteht, wie sich aus der Figur Ib ergibt, aus einem Träger 12 aus Weicheisen oder Stahl, der auf diesen Träger aufgebrachten Unterschicht 3 aus mittels Plasmastrahlverfahren aufgespritzter Nickelschicht und der darauf angeordneten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten porösen Deckschicht 4 aus Raney-Nickel. Aus den Figuren ist deutlich ersichtlich, daß die Deckschicht eine rauhe Oberfläche aufweist.
  • Die Herstellung der in der Figur dargestellten Kathode erfolgt beispielsweise wie folgt:
    • Ein Träger aus Stahl wird zunächst an seiner Oberfläche durch Abstrahlen mit Aluminiumoxidpulver gereinigt. Danach wird die Nickel-Unterschicht mittels eines Plasmabrenners aufgespritzt, der mit Argon als Trägergas und Wasserstoff als Zusatzgas bei einem Druck von etwa 1,5 bar arbeitet.. Als Nickelpulver wird ein handelsübliches Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 10 bis 60 µm verwendet. Nach Aufbringung der Nickel-Unterschicht wird die Nickelpulver-Zufuhr unterbrochen und der Plasmabrenner mit einem Pulver aus einem Gemisch aus Nickel- und Aluminium-Pulver mit 50 Teilen Nickel und 50 Teilen Aluminium gespeist und dieses Pulver aufgespritzt. Anstelle des Pulvers aus einem 50/50 Gemisch können auch Pulver mit der Gemischszusammensetzung Ni/Al 90/10, Ni/Al 80/20, Ni/Al 70/30, Ni/Al 60/40 verwendet werden. Die Kerngröße des vervendeten Nickel-Aluminium-Pulvergemisches liegt vorteilhafterweise im Bereich von 10 bis 60 gm. Nach dem Aufbringen der Deckschicht wird der beschichtete Träger zum Herauslösen des Aluminiums mittels 1 n NaOH behandelt, und zwar indem der beschichtete Träger solange in ein Laugebad getaucht wird, bis der Aluminium-Anteil aus der Deckschicht herausgelöst ist. Danach wird die Kathode mit Wasser gespült. Anstelle des Pulvergemisches aus Nickel und Aluminium können auch andere Nickel enthaltende Pulvergemische, wie beispielsweise Nickel/Zink, verwendet werden. Wichtig dabei ist, daß sich die dem Nickel beigemischte Komponente aus der gespritzten Deckschicht, ohne das Nickel und den Träger anzugreifen, herauslösen läßt. Anstelle von Natronlauge kann auch Kalilauge verwendet werden. Die Dicke der Deckschicht beträgt vorteilhafterweise 20 bis 40 µm.

Claims (10)

1. Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse, insbesondere nach dem Diaphragma- oder Membranverfahren, die auf einen Träger aus Weicheisen oder Stahl eine Aktivierungsschicht aus Raney-Nickel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsschicht aus einer 30 bis 60 µm dicken und dichten Nickel-Unterschicht, die mit dem Träger verbunden ist, besteht, auf der eine poröse Raney-Nickel-Deckschicht mit rauher Oberfläche und einer Schichtdicke von 20 bis 60 µm angebracht ist.
2. Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Unterschicht 30 bis 60 µm beträgt.
3. Kathode nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Deckschicht 20 bis 40 µm beträgt.
4. Kathode nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Deckschicht im Bereich von 10 bis 50 % liegt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Kathode für die Chloralkali-Elektrolyse, insbesondere nach dem Diaphragma-oder Membranverfahren, mit einer auf einem Träger aus Weicheisen oder Stahl aufgebrachten Aktivierungsschicht aus Raney-Nickel, dadurch gekennzeichnet, daß auf die gereinigte Trägeroberfläche zunächst eine 30 bis 60 µm dicke, dichte Nickel-Unterschicht mittels Plasmastrahlverfahren aufgespritzt wird, auf die dann mittels Plasmastrahlverfahren eine 20 bis 60 µm dicke Deckschicht aus einem Nickel-Aluminium-Gemisch mit einem Aluminium-Gehalt von 10 bis 50 %, Rest Nickel aufgespritzt wird, aus der anschließend das Aluminium ausgelaugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium aus der Deckschicht mittels Natronlauge oder Kalilauge ausgelaugt wird.
7. Vertahren nach den Ansprüchen 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger verwendet wird, der vor der Beschichtung in die gewünschte Kathodenform verformt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufspritzen der Unterschicht ein Nickel-Pulver einer Korngröße im Bereich von 10 bis 60 µm verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufspritzen der Deckschicht ein Gemisch aus Nickel-und Aluminium-Pulver einer Korngröße im Bereich von 10 bis 60 µm verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufspritzen der Deckschicht ein Pulvergemisch verwendet wird, das aus Nickel- und Zink-Pulver besteht.
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