EP1527212A1 - Diamantelektrode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Diamantelektrode und verfahren zu ihrer herstellung

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Publication number
EP1527212A1
EP1527212A1 EP03718708A EP03718708A EP1527212A1 EP 1527212 A1 EP1527212 A1 EP 1527212A1 EP 03718708 A EP03718708 A EP 03718708A EP 03718708 A EP03718708 A EP 03718708A EP 1527212 A1 EP1527212 A1 EP 1527212A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diamond
layer
metal
doped
diamond particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03718708A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kotschan
Robert Hermann
Wolfgang Staber
Michael Schelch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pro Aqua Diamantelektroden Produktion GmbH and Co KG
Original Assignee
Pro Aqua Diamantelektroden Produktion GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pro Aqua Diamantelektroden Produktion GmbH and Co KG filed Critical Pro Aqua Diamantelektroden Produktion GmbH and Co KG
Publication of EP1527212A1 publication Critical patent/EP1527212A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
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    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46147—Diamond coating
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    • Y10T428/12625—Free carbon containing component

Definitions

  • the invention relates to a diamond electrode with synthetically produced and electrically conductive (doped) diamonds and to processes for their production.
  • Diamond electrodes are characterized by their high overvoltage for oxygen and hydrogen and are therefore particularly suitable for a large number of oxidation processes in aqueous solution. Possible and particularly interesting
  • Diamond electrodes are currently produced by directly producing boron-doped diamond layers on substrate materials, in particular by means of CVD (Chemical Vapor Deposition) processes.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the known techniques differ from one another primarily by the type of energy input.
  • tungsten wires are heated in a gas mixture of hydrogen, a carbon and a boron source over a substrate. It is possible to use different substrates, which differ in the CVD process primarily due to their different carbon solubility.
  • Titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten and silicon form carbide layers in the coating, which reach a certain thickness depending on the material (Si a few nm, Ti a few ⁇ m) until nucleation and thus diamond deposition occurs.
  • Even longer lead times for CVD deposition occur with carbon-dissolving substrates such as iron, cobalt, nickel, platinum and palladium.
  • reactions with atomic hydrogen and carbon occur during the coating, whereby carbide intermediate layers are formed (SiO 2 , ZrO 2 ). For these reasons, not all metals can be coated to the same extent.
  • Boron-doped diamond layers produced with microwave plasma can also be produced without a substrate, so that pure diamond electrodes can be produced in very high quality.
  • MPCVD microwave plasma
  • Such electrodes have to be produced in a relatively large layer thickness, which causes very high production costs and prevents an economical use of this technology.
  • the invention is based on the object of making available or developing diamond electrodes and methods for producing diamond electrodes which make it possible to produce diamond electrodes at an economically justifiable cost and accordingly in a cost-effective manner.
  • correspondingly large-area electrodes should be able to be produced, which are particularly suitable for drinking water treatment or waste water treatment or electrochemical synthesis.
  • a diamond electrode designed according to the invention which is in the surface of a metal or metal alloy layer has embedded doped diamond particles which produce an electrically conductive connection to the metal or to the metal alloy.
  • a powder of doped, synthetically produced diamonds is embedded at least in the surface of a metal or a metal alloy in such a way that an electrically conductive connection between the metal or the metal alloy and the diamond particles is created.
  • the invention is therefore based on using industrially and thus comparatively inexpensively produced diamond powder as the starting material and connecting it to a metal or a metal alloy with the formation of an electrically conductive connection between the metal and the diamond particles to form a diamond electrode. It is known to use industrially produced diamond powder for various applications, for example for grinding pastes. This diamond powder can also be produced in doped form by one of the customary processes, for example by high-pressure, high-temperature processes using metal catalysts. In these manufacturing techniques, the diamond powder can be made conductive by introducing, for example, boron into the production process.
  • the points remaining on the surface of the electrode between the diamond particles are provided with a non-conductive oxide layer and passivated in this way (claim 2). This ensures that the conductivity of the diamond particles is higher than that of the
  • Embedding material and no bare metal surfaces can react with the electrolyte solution.
  • these points can be provided with a sealing layer, for example a silicate layer (claim 3).
  • the embedding layer is applied to a layer of carrier material, which consists in particular of a metal passivated by oxides or has one as an alloy component or coating (claim 4).
  • a layer of carrier material which consists in particular of a metal passivated by oxides or has one as an alloy component or coating (claim 4).
  • a metal passivated by oxides or has one as an alloy component or coating for example, titanium or aluminum and alloys made from these metals are suitable. Will for that Carrier material uses a mechanically stable material, this can also be used for contacting the electrode (claim 5).
  • other materials iron, steel, non-ferrous metal etc.
  • non-conductors can also be used (claims 6 and 7).
  • the embedding layer consists at least partially of elements which are capable of forming non-conductive oxides (claim 8).
  • Metals or metal alloys from the group consisting of magnesium, aluminum, titanium, yttrium, zirconium, hafnium, tantalum, vanadium and zinc are therefore suitable (claim 9).
  • the diamond powder embedded in the surface of the embedding layer is doped in particular with boron, phosphorus or nitrogen and has a grain size of the order of 1 to 700 ⁇ m, in particular up to 200 ⁇ m.
  • the use of a diamond powder with at least substantially identical grain sizes is advantageous (claims 10 to 12).
  • the doped diamond particles are introduced directly into a carrier material which contains at least one element which is capable of forming a non-conductive oxide layer by mechanical forces and / or temperature (claim 14). In this way, inexpensive and rapid manufacture of diamond electrodes is possible.
  • the doped diamond particles are mixed and pressed with metal or metal alloys which are capable of forming a non-conductive oxide layer, a pressed part, optionally with a carrier plate, which contains the doped diamond particles in one or including several layers, contains (claim 17).
  • An electrode with several layers of doped diamond particles is thus produced, so that even if the electrode is worn, its functionality is fully retained.
  • a still further variant of the method according to claim 13 consists in sintering the doped diamond particles on carrier materials (claim 18).
  • the advantage of this method lies in the production of a particularly stable connection of the diamond particles with the carrier material.
  • the metals or metal alloys are deposited from the gas phase (claim 19).
  • low-melting materials for example magnesium or a magnesium alloy
  • a particularly metallic carrier layer with a higher melting point the diamond powder having already been mixed with the powder of the alloy or subsequently onto it liquid metal is applied and finally cooled.
  • Yet another variant of the method according to claim 13 provides that a metal or a metal alloy is electrodeposited with diamond powder, using an aqueous solution or a molten salt in which the diamond powder is kept in suspension by stirring or the like and into which is deposited Metal is stored (claim 21).
  • the diamond electrodes produced according to these methods can be used as a starting product for a further deposition of doped diamond using conventional methods, in particular CVD and PVD methods.
  • conductive metals or metal alloys can be used which at least partially consist of at least one element capable of forming non-conductive oxides, such as magnesium, aluminum, titanium, yttrium, zirconium, hafnium, tantalum, vanadium or zinc 23).
  • the metal surfaces or locations remaining free between the diamond particles are passivated (claim 24). This ensures that the conductivity of the diamond particles is greater than that of the embedding material.
  • the passivation takes place in particular by producing an oxide layer by means of anodic or chemical oxidation (claim 25).
  • the anodic oxidation can be carried out by direct current, pulsed direct current or alternating current with a predominant anodic phase duration (claim 26). It is easiest to use direct current. Pulsed direct current enables an improved delivery of peroxide formers (sulfate, borate) and thus a complete oxidation due to the pauses in which diffusion takes place but no reaction takes place.
  • alternating current the anodic phase is interrupted by a short cathodic phase, which leads to the destruction of the oxidizing agents. These are newly formed in the next anodic phase. This can prevent oxidizing agents from penetrating deeply into pores and oxidation being too deep. A defined layer thickness can therefore be oxidized without affecting the layers underneath.
  • aqueous solutions which, in combination, contain borate, sulfate, phosphate and Contain fluoride ions (claim 27).
  • aqueous solutions which, in combination, contain borate, sulfate, phosphate and Contain fluoride ions (claim 27).
  • the oxidation solutions are buffered (claim 28). This prevents the solutions from becoming basic and instead of oxides, hydroxides that are water-soluble are formed.
  • the pores of the oxide layer can also be sealed (claim 29). This increases the mechanical strength and improves the insulation properties. It is particularly possible to post-treat the surface of the oxide layer with an aqueous silicate which is hardened in air rich in carbon dioxide (claim 30).
  • sealing can also be achieved by the
  • Ceramic is converted into a layer with ceramic properties by penetration of dissolved metal salts with or without applied potential (claim 31). Such a treatment of the surface can also take place before a silicate treatment.
  • the ceramic properties can be further improved in a subsequent sintering process.
  • the term ceramic properties refers to the resulting stable crystal structures.
  • the sintering process is carried out after the introduction of the additional metals in the oxide layer, the material being kept at a temperature around the melting point of the alloy used for a relatively long time, for example for several hours. The increased temperature causes mobility of the molecules, which enables the formation of more stable modifications. The density, the mechanical strength and the thermal stability of the layer can thus be improved.
  • a further variant of the method according to the invention is that the doped diamond particles are introduced into the surface of coated carrier materials, in particular coated with Teflon (claim 32). Thanks to the Teflon layer, the Any gases arising from the electrode can be easily removed from the surface of the electrode.
  • Diamond electrodes produced in this way can be used in particular for the production of gases, in particular ozone and / or oxygen (claim 33).
  • diamond powder of various grain sizes and from various production processes can be processed into electrodes. It is particularly advantageous to use conductive diamond powder which has a grain size of 1 to 700 ⁇ m, in particular up to 200 ⁇ m.
  • the doping is preferably carried out with boron, phosphorous or nitrogen (claims 34 to 36).
  • the schematic embodiment of an electrode 1 designed according to the invention shown in the drawing figure comprises a layer 2 made of a
  • Carrier material a metallic embedding layer 3 for diamond particles 5, which protrude outwardly beyond the layer 3, and an oxide layer 4 that passivates and seals the embedding layer 3 between the individual diamond particles 5.
  • a mechanically correspondingly stable material is used as the material for the carrier layer 2, which material can preferably also be used for contacting the electrode.
  • a material is preferably used which can form a non-conductive oxide layer.
  • a typical and particularly suitable material is, for example, titanium sheet.
  • the embedding layer 3 consists of an oxide-forming metal or an oxide-forming metal alloy. Magnesium alloys in particular are particularly suitable for the embedding layer, but also alloys which at least partially consist of elements which are capable of forming non-conductive oxides, such as
  • the oxide layer 4 provided and required between the partially embedded diamond particles 5 can be produced by means of anodic or chemical oxidation of the embedding layer 3. If the electrode is mechanically damaged, this oxide layer, anodically polarized, is self-regenerating.
  • a conductive diamond powder for example a diamond powder doped with boron, phosphorus or nitrogen, is used to produce an electrode 1 constructed according to the invention.
  • the conductive diamond powder is not the subject of the invention, here industrially produced diamond powder can be used.
  • Various methods are possible for embedding the diamond powder in the conductive material and for forming the embedding layer 3.
  • the diamond particles can be introduced directly into a carrier material which contains at least one element which is capable of forming a non-conductive oxide layer by mechanical forces and / or temperature. This process uses the extreme hardness of the doped diamond particles.
  • the doped diamond particles can be pressed or rolled into the surface of the carrier material.
  • the doped diamond particles are accelerated by the application of energy in fluids, for example in air, water or an air fluid stream and the like, in order to then make them hit the carrier material at high speed and introduce them into the surface.
  • Another method which is well suited for producing electrodes according to the invention is that metal or metal alloys which are capable of forming a non-conductive oxide layer are mixed with the doped diamond particles and then pressed, so that a pressed part, which is optionally applied to a carrier plate, arises and which contains the diamond particles embedded in one or more layers.
  • Such designs have the advantage that new layers of diamond particles gradually come to the surface as they wear out, so that the electrode surface can be renewed, so to speak.
  • Another method that is well suited for the production of electrodes according to the invention is that the doped diamond particles are sintered onto a carrier material.
  • Another method, which is well suited for the production of electrodes according to the invention, of applying the metals or metal alloys consists in the deposition of these from a saturated gas phase.
  • a carrier material is cooled and introduced into an especially oxygen-free atmosphere (vacuum).
  • vacuum oxygen-free atmosphere
  • Metal alloys are in the sublimation chamber. Depending on the metal or metal alloy, the chamber is heated, for example, to 100 to 1500 ° C. As a result of the direct cooling of the gas phase on the carrier material, the deposition takes place, the doped diamond particles being enclosed.
  • Low-melting starting materials for the embedding layer 3 for example magnesium and magnesium alloys, can be melted directly, in particular onto a metallic carrier material with a higher melting point, for example titanium sheet. This takes place under an argon protective atmosphere and, if appropriate, under reduced pressure.
  • the diamond powder is applied to the liquefied metal, for example sprinkled on and cooled.
  • Another possibility of embedding the diamond powder and forming the embedding layer 3 consists in the galvanic co-cutting of a metal or a metal alloy with diamond powder from an aqueous solution, for example a zinc solution or from a salt melt, for example titanium from an alkali salt melt.
  • the diamond powder is kept in suspension by stirring and is thus almost randomly embedded in the deposited metal.
  • the diamond electrodes produced according to the above method can also be used as a starting product for a further deposition of doped diamonds using standard methods, in particular CVD and PVD methods.
  • the locations that remain between the individual diamond particles 5 are locations with bare metal surfaces of the embedding layer 3 that would react with the solution. They are therefore passivated, so that the current is transported exclusively or predominantly through the diamond particles 5.
  • An aqueous electrolyte bath which contains appropriate oxidizing agents or peroxide formers can be used for the oxidation process.
  • an electrolytic bath can be used to produce a particularly corrosion and wear-resistant protective layer by anodic oxidation, which according to EP-B1-0 333 048 contains 10 to 80 g per liter of borate or sulfate ions, 10 to Contains 70 g per liter of phosphate ions and 5 to 35 g per liter of fluoride ions and less than 100 g per liter of alkali ions and which is adjusted to a pH of 5 to 11, preferably 7 to 9.
  • direct current is used when the voltage rises to 400 volts and the direct current is briefly interrupted or reversed.
  • anions and / or cations that promote the formation of dense ceramic layers can be incorporated into the oxide layer that forms during the oxidation process.
  • Such salts are used in particular, through which the mechanical strength and the insulation properties are improved.
  • chemical oxidation is also possible.
  • the mechanical strength and / or the insulation properties can be improved by sealing the oxide layer, for example by means of aqueous alkali silicate solutions, which precipitate in the pores with carbon dioxide as the weak acid. Curing can take place in air rich in carbon dioxide.
  • the entire surface of the electrode can be converted into a layer with ceramic properties by introducing dissolved metal salts, such as aluminum salts, with or without applied potential.
  • the ceramic properties can be further improved by a subsequent sintering process.
  • a typical shape of the insulating layer corresponds to a technical ceramic such as cordierite (Mg 2 Al Si 2 O-
  • Cordierite is an aluminum-magnesium silicate, on the basis of which the material groups C 410, C 511, C 512 and C 520 are based. They are characterized by particularly low thermal expansion and, in connection with this, by a very high resistance to temperature changes. These properties are used for the most well-known applications as automotive catalyst carriers and as high-quality, fireproof household dishes. Further designs are based on ceramic techniques, which are based on the use of sintered corundum (Al 2 O 3 ) or yttrium oxide (Y 2 O 3 ). In terms of the chemical stability of the electrodes in different media, the ceramics can be tailored to the respective application by means of special element compositions.
  • Sealing of the oxide layer can also be achieved by applying vapor-deposited elements to the surface, in particular those which are suitable for forming a non-conductive oxide layer.
  • sealing can be achieved by a subsequent CVD or PVD process, an additional layer of doped diamond particles being applied to the doped diamond particles introduced into the surface.
  • the materials used for the embedding layer are at least partially metals that are capable of forming a non-conductive oxide layer, a certain self-healing effect is possible in the event of mechanical damage to the electrode surface. This is particularly advantageous when the electrode is used as an anode, as would be the case with anodic oxidation or drinking water disinfection.
  • Methods for producing diamond electrodes according to the invention are also possible which do not require subsequent passivation of the surfaces. This is the case, for example, when the doped diamond particles are introduced into the surface of appropriately coated carrier materials, for example coated with Teflon. Diamond electrodes produced in this way are particularly suitable for the production of gases, in particular ozone and / or oxygen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Diamantelektrode mit synthetisch hergestellten, elektrisch leitfähigen (dotierten) Diamanten. Die Oberfläche weist in eine Metall- oder Metalllegierungsschicht eingebettete Diamantpartikel (5) auf, die eine leitfähige Verbindung zum Metall bzw. der Metalllegierung herstellen.

Description

DIAMANTELEKTRODE UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG
Die Erfindung betrifft eine Diamantelektrode mit synthetisch hergestellten und elektrisch leitfähigen (dotierten) Diamanten sowie Verfahren zu ihrer Herstellung.
Diamantelektroden zeichnen sich durch ihre hohe Überspannung für Sauerstoff und Wasserstoff aus und sind daher für eine Vielzahl von Oxidationsprozessen in wässriger Lösung besonders geeignet. Mögliche und besonders interessante
Anwendungen wären daher im Bereich der Trinkwasseraufbereitung (Desinfektion) und der Wasseraufbereitung durch anodische Oxidation. Weitere Anwendungen sind die elektrochemische Synthese, insbesondere die Herstellung von Oxidationsmitteln, sowie die Elektrolyse von Wasser und die elektrochemische Herstellung von Ozon und Chlor.
Derzeit werden Diamantelektroden durch ein direktes Erzeugen von Bor-dotierten Diamantenschichten auf Substratmaterialen, insbesondere durch CVD (Chemical Vapor Deposition) - Prozesse hergestellt. Die bekannten Techniken unterscheiden sich untereinander vor allem durch die Art der Energieeinbringung. Bei der sogenannten Hot - Filament- Technologie werden Wolframdrähte in einem Gasgemisch von Wasserstoff, einer Kohlstoff - und einer Borquelle über einem Substrat geheizt. Dabei ist der Einsatz unterschiedlicher Substrate möglich, welche sich im CVD Prozess vor allem durch ihre unterschiedliche Kohlenstofflöslichkeit unterscheiden.
Inert sind praktisch nur Kupfer und Gold. Titan, Zirkon, Hafnium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram und Silizium bilden bei der Beschichtung Carbidschichten aus, welche materialspezifisch eine gewisse Dicke erreichen müssen (Si einige nm, Ti einige μm) bis es zur Keimbildung und damit Diamantabscheidung kommt. Noch längere Vorlaufzeiten bei der CVD-Abscheidung treten bei Kohlenstoff lösenden Substraten wie Eisen, Kobalt, Nickel, Platin und Palladium auf. Gleichzeitig kommt es bei der Beschichtung zu Reaktionen mit atomarem Wasserstoff und Kohlenstoff wobei Carbidzwischenschichten entstehen (SiO2, ZrO2). Aus diesen Gründen sind nicht alle Metalle im gleichen Ausmaß einer Beschichtung zugänglich.
Bei der Anwendung als Elektroden hat sich ferner herausgestellt, dass verschiedene Trägermaterialien, die als Anode geschalten eine geringe Sauerstoffüberspannung aufweisen, eine zu geringe Lebensdauer haben. Entstehen in der Diamantschicht feine Risse, so bildet sich sofort Elektrolysesauerstoff, welcher die Ablösung der Diamantschicht verursacht.
Mit Mikrowellenplasma (MPCVD) erzeugte Bor-dotierte Diamantschichten können auch ohne Substrat hergestellt werden, sodass reine Diamantenelektroden in sehr hoher Qualität herstellbar sind. Um eine gewisse mechanische Stabilität sicher zu stellen, sind derartige Elektroden in relativer großer Schichtdicke zu erzeugen, was sehr hohe Produktionskosten verursacht und eine wirtschaftliche Verwendung dieser Technologie verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Diamantelektroden und Verfahren zur Herstellung von Diamantelektroden zur Verfügung zu stellen bzw. zu entwickeln, welche es ermöglichen, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand und demnach auf kostengünstige Weise Diamantelektroden herstellen zu können. Somit soll erstmalig ein wirtschaftlicher Einsatz von Diamantelektroden in einer Vielzahl von Oxidationsprozessen in wässriger Lösung möglich sein. Insbesondere sollen entsprechend großflächige Elektroden herstellbar sein, die sich vor allem für die Trinkwasseraufbereitung oder die Abwasseraufbereitung bzw. die elektrochemische Synthese eignen.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Diamantelektrode gelöst, welche in die Oberfläche einer Metall- oder Metalllegierungsschicht eingebettete dotierte Diamantpartikel aufweist, die eine elektrisch leitfähige Verbindung zum Metall bzw. zu der Metalllegierung herstellen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Diamantelektroden wird ein Pulver aus dotierten, synthetisch hergestellten Diamanten zumindest in die Oberfläche eines Metalls oder einer Metalllegierung derart eingebettet, dass eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Metall bzw. der Metalllegierung und den Diamantpartikeln entsteht (Anspruch 13).
Die Erfindung beruht also darauf, industriell und somit vergleichsweise kostengünstig hergestelltes Diamantpulver als Ausgangsmaterial zu verwenden und mit einem Metall bzw. einer Metalllegierung unter Entstehen einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Metall und den Diamantpartikeln zu einer Diamantelektrode zu verbinden. Es ist bekannt, industriell hergestelltes Diamantpulver für diverse Anwendungszwecke, beispielsweise für Schleif pasten, zu verwenden. Dieses Diamantpulver kann auch in dotierter Form nach einem der üblichen Verfahren, etwa durch Hochdruck-, Hochtemperaturverfahren mit Metallkatalysatoren hergestellt werden. Bei diesen Herstellungstechniken kann das Diamantpulver durch Einbringen von beispielsweise Bor im Produktionsprozess leitfähig gemacht werden.
Bei einer erfindungsgemäß ausgeführten Elektrode sind die an der Oberfläche der Elektrode zwischen den Diamantpartikeln verbleibenden Stellen mit einer nicht leitenden Oxidschicht versehen und derart passiviert (Anspruch 2). Damit ist sichergestellt, dass die Leitfähigkeit der Diamantpartikel höher ist als jene des
Einbettungsmaterials und keine blanken Metalloberflächen mit der Elektrolytlösung reagieren können. Zusätzlich können diese Stellen mit einer Versiegelungsschicht, beispielsweise einer Silikatschicht, versehen sein (Anspruch 3).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einbettungsschicht auf eine Schicht aus Trägermaterial aufgebracht, die insbesondere aus einem durch Oxide passivierten Metall besteht oder ein solches als Legierungsbestandteil oder Beschichtung aufweist (Anspruch 4). Es sind daher beispielsweise Titan oder Aluminium sowie Legierungen aus diesen Metallen geeignet. Wird für das Trägermaterial ein mechanisch stabiles Material verwendet, so kann dieses auch zur Kontaktierung der Elektrode eingesetzt werden (Anspruch 5). Bei Ausführungen der Elektrode mit einer beidseitigen Beschichtung der Trägerschicht, oder wenn die Rückseite isoliert wird, können auch andere Materialien (Eisen, Stahl, NE-Metall etc.), aber auch Nichtleiter, verwendet werden (Ansprüche 6 und 7).
Die Einbettungsschicht besteht zumindest teilweise aus Elementen, die zur Ausbildung nicht leitender Oxide fähig sind (Anspruch 8). Es eignen sich daher unter Anderem Metalle oder Metalllegierungen aus der Gruppe Magnesium, Aluminium, Titan, Yttrium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Vanadium und Zink (Anspruch 9).
Das in die Oberfläche der Einbettungsschicht eingebettete Diamantpulver ist insbesondere mit Bor, Phosphor oder Stickstoff dotiert und weist eine Korngröße in der Größenordnung von 1 bis 700 μm, insbesondere bis zu 200 μum, auf. Die Verwendung eines Diamantpulvers mit zumindest im Wesentlichen übereinstimmenden Korngrößen ist von Vorteil (Ansprüche 10 bis 12).
Bei einer ersten Variante des Verfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 werden die dotierten Diamantpartikel direkt in ein Trägermaterial, welches zumindest ein Element enthält, das zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht fähig ist, durch mechanische Kräfte und / oder Temperatur eingebracht (Anspruch 14). Auf diese Weise ist eine kostengünstige und rasche Herstellung von Diamantelektroden möglich.
Eine Möglichkeit des Einbringens unter Aufbringen mechanischer Kräfte besteht darin, dass die Diamantpartikel in die Oberfläche des Trägermaterials eingepresst oder eingewalzt werden (Anspruch 15).
Eine andere Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 13 besteht darin, dass die dotierten Diamantpartikel in Fluiden beschleunigt werden und damit beim Aufprall in die Oberfläche eingebracht werden (Anspruch 16). Auch dieses Verfahren ist kostengünstig und erlaubt eine einfache Herstellung der Diamantelektrode. Als Fluide eignen sich beispielsweise Wasser oder Luft, das Beschleunigen kann mittels Pumpen oder Verdichter erfolgen.
Bei einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch 13 werden die dotierten Diamantpartikel mit Metall oder Metalllegierungen, welche zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht befähigt sind, gemischt und gepresst, wobei ein Pressteil, gegebenenfalls mit Trägerplatte erstellt wird, welcher die dotierten Diamantpartikel in einer oder mehreren Schichten eingeschlossen, enthält (Anspruch 17). Es wird somit eine Elektrode mit mehreren Schichten von dotierten Diamantpartikeln hergestellt, sodass auch bei einer etwaigen Abnutzung der Elektrode deren Funktionsfähigkeit voll erhalten bleibt.
Eine noch weitere Variante des Verfahrens gemäß Anspruch 13 besteht darin, die dotierten Diamantpartikel auf Trägermaterialien zu sintern (Anspruch 18). Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Herstellung einer besonders stabilen Verbindung der Diamantpartikel mit dem Trägermaterial.
Bei einem weiteren Verfahren werden die Metalle bzw. Metalllegierungen aus der Gasphase abgeschieden (Anspruch 19).
Als Ausgangsmaterial für die Einbettungsschicht können gemäß Anspruch 20 niedrig schmelzende Materialien, beispielsweise Magnesium oder eine Magnesiumlegierung verwendet werden, welche auf einer insbesondere metallischen Trägerschicht mit einem höheren Schmelzpunkt aufgeschmolzen werden, wobei das Diamantpulver bereits mit dem Pulver der Legierung vermengt ist oder anschließend auf das noch flüssige Metall aufgebracht wird und schließlich abgekühlt wird.
Eine noch andere Variante des Verfahrens gemäß Anspruch 13 sieht vor, dass ein Metall oder eine Metalllegierung mit Diamantpulver galvanisch abgeschieden wird, wobei eine wässrige Lösung oder eine Salzschmelze verwendet wird, in welcher das Diamantpulver durch Rühren oder dergleichen in Suspension gehalten wird und in das abgeschiedene Metall eingelagert wird (Anspruch 21). Gemäß Anspruch 22 lassen sich die nach diesen Verfahren hergestellten Diamantelektroden als Ausgangsprodukt für eine weitere Abscheidung von dotiertem Diamant mit gängigen Verfahren, insbesondere CVD- und PVD- Verfahren, verwenden.
Für die Einbettungsschicht bzw. das Trägermaterial können leitfähige Metalle oder Metalllegierungen verwendet werden, die zumindest teilweise aus zumindest einem zur Ausbildung nicht leitender Oxide fähigen Element besteht, wie Magnesium, Aluminium, Titan, Yttrium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Vanadium oder Zink (Anspruch 23) .
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren werden die zwischen den Diamantpartikeln frei bleibenden Metallflächen bzw. -stellen passiviert (Anspruch 24). Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Leitfähigkeit der Diamantpartikeln größer ist als jene des Einbettungsmaterials.
Die Passivierung erfolgt insbesondere durch die Erzeugung einer Oxidschicht mittels anodischer oder chemischer Oxidation (Anspruch 25).
Dabei kann die anodische Oxidation durch Gleichstrom, gepulsten Gleichstrom oder Wechselstrom mit überwiegender anodischer Phasendauer durchgeführt werden (Anspruch 26). Am Einfachsten ist es, Gleichstrom zu verwenden. Gepulster Gleichstrom ermöglicht durch die Pausen, in denen Diffusion aber keine Reaktion stattfindet, eine verbesserte Anlieferung von Peroxidbildnern (Sulfat, Borat), und somit eine vollständige Oxidation. Beim Einsatz von Wechselstrom wird die anodische Phase durch eine kurze kathodische Phase unterbrochen, wodurch es zur Zerstörung der Oxidationsmittel kommt. In der nächsten anodischen Phase werden diese neu gebildet. Dadurch kann verhindert werden, dass Oxidationsmittel tief in Poren eindringen, und eine zu tiefe Oxidation stattfindet. Es kann also eine definierte Schichtdicke oxidiert werden ohne die darunter liegenden Schichten in Mitleidenschaft zu ziehen.
Zur Durchführung der anodischen Oxidation werden insbesondere wässrige Lösungen verwendet, welche in Kombination Borat-, Sulfat-, Phosphat-, und Fluoridionen enthalten (Anspruch 27). Derart lassen sich besonders verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten bzw. Oxidationsschichten erzeugen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens werden die Oxidationslösungen gepuffert (Anspruch 28). Dies verhindert, dass die Lösungen basisch werden und anstelle von Oxiden auch Hydroxide, die wasserlöslich sind, entstehen.
Die Poren der Oxidschicht können zusätzlich versiegelt werden (Anspruch 29). Dies erhöht die mechanische Festigkeit und verbessert die Isolationseigenschaften. Dabei kommt insbesondere in Frage, die Oberfläche der Oxidschicht mit einem wässrigen Silikat nachzubehandeln, welches an kohlendioxidreicher Luft ausgehärtet wird (Anspruch 30).
Alternativ dazu lässt sich eine Versiegelung auch dadurch erreichen, dass die
Oberfläche durch Eindringen von gelösten Metallsalzen mit oder ohne angelegtem Potential, in eine Schicht mit keramischen Eigenschaften umgewandelt wird (Anspruch 31). Eine derartige Behandlung der Oberfläche kann auch vor einer Silikatbehandlung erfolgen. Dabei können in einem anschließenden Sinterprozess die keramischen Eigenschaften noch weiter verbessert werden. Der Begriff keramische Eigenschaften bezieht sich auf die entstehenden stabilen Kristallstrukturen. Der Sinterprozess wird nach der Einbringung der zusätzlichen Metalle in der Oxidschicht ausgeführt, wobei das Material über eine längere Zeit, beispielsweise über mehrere Stunden, auf einer Temperatur um den Schmelzpunkt der eingesetzten Legierung gehalten wird. Die erhöhte Temperatur bewirkt eine Mobilität der Moleküle, welche die Ausbildung von stabileren Modifikationen ermöglicht. Die Dichte, die mechanische Festigkeit und die thermische Stabilität der Schicht können so verbessert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Variante des Verfahrens gemäß Anspruch 13 besteht darin, dass die dotierten Diamantpartikel in die Oberfläche von beschichteten Trägermaterialien, insbesondere mit Teflon beschichteten, eingebracht werden (Anspruch 32). Durch die Teflonschicht können die bei der Verwendung der Elektrode entstehenden Gase sehr leicht von der Oberfläche der Elektrode gelöst werden.
Derart hergestellte Diamantelektroden können insbesondere für die Herstellung von Gasen, insbesondere von Ozon und / oder Sauerstoff, verwendet werden (Anspruch 33).
Bei den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Diamantpulver verschiedenster Korngröße und aus verschiedenen Erzeugungsprozessen zu Elektroden verarbeiten. Von besonderem Vorteil ist es dabei, leitfähiges Diamantpulver zu verwenden, welches eine Korngröße von 1 bis 700 μm, insbesondere bis zu 200 μm aufweist. Die Dotierung wird vorzugsweise mit Bor, Phospohr oder Stickstoff durchgeführt (Ansprüche 34 bis 36).
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung, deren einzige Figur schematisch einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Elektrode darstellt, näher beschrieben.
Die in der Zeichnungsfigur gezeigte schematische Ausführungsform einer gemäß der Erfindung ausgeführten Elektrode 1 umfasst eine Schicht 2 aus einem
Trägermaterial, eine metallische Einbettungsschicht 3 für Diamantpartikel 5, die nach außen die Schicht 3 überragen, sowie eine die Einbettungsschicht 3 zwischen den einzelnen Diamantpartikeln 5 passivierende und versiegelnde Oxidschicht 4.
Als Material für die Trägerschicht 2 wird insbesondere ein mechanisch entsprechend stabiles Material eingesetzt, welches bevorzugt auch zur Kontaktierung der Elektrode verwendet werden kann. Bei der gezeigten einseitigen Beschichtung des Trägermaterials wird vorzugsweise ein Material verwendet, welches eine nicht leitende Oxidschicht ausbilden kann. Ein typisches und besonders geeignetes Material ist beispielsweise Titanblech. Die Einbettungsschicht 3 besteht aus einem oxidbildenden Metall oder einer oxidbildenden Metalllegierung. Besonders geeignet für die Einbettungsschicht sind insbesondere Magnesiumlegierungen, aber auch Legierungen die zumindest teilweise aus Elementen bestehen, die zur Ausbildung nicht leitender Oxide befähigt sind, wie zwischen den teilweise eingebetteten Diamantpartikeln 5 vorgesehene und erforderliche Oxidschicht 4 kann mittels anodischer oder chemischer Oxidation der Einbettungsschicht 3 erzeugt werden. Bei einer etwaigen mechanischen Verletzung der Elektrode ist diese Oxidschicht, anodisch gepolt, selbst regenerierend.
Zur Herstellung einer erfindungsgemäß aufgebauten Elektrode 1 wird ein leitfähiges Diamantpulver, beispielsweise ein mit Bor, Phosphor oder Stickstoff dotiertes Diamantpulver verwendet. Das leitfähige Diamantpulver ist dabei nicht Gegenstand der Erfindung, hier kann auf industriell hergestelltes Diamantpulver zurück gegriffen werden. Zur Einbettung des Diamantpulvers in das leitfähige Material, zur Bildung der Einbettungsschicht 3 kommen verschiedene Verfahren in Frage.
So können beispielsweise die Diamantpartikel direkt in ein Trägermaterial, welche zumindest ein Element enthält, das zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht fähig ist, durch mechanische Kräfte und / oder Temperatur eingebracht werden. Diese Verfahren nutzt die extreme Härte der dotierten Diamantpartikel. Dabei können die dotierten Diamantpartikel in die Oberfläche des Trägermaterials eingepresst oder eingewalzt werden.
Bei einem anderen, ähnlichen Verfahren, werden die dotierten Diamantpartikel durch Aufbringen von Energie in Fluiden, beispielsweise in Luft, Wasser bzw. einem Luftfluidstrom und dergleichen, beschleunigt, um sie dann mit hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial aufprallen zu lassen und in die Oberfläche einzubringen.
Ein weiteres zur Herstellung erfindungsgemäß ausgeführter Elektroden gut geeignetes Verfahren besteht darin, dass Metall oder Metalllegierungen, welche zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht befähigt sind, mit den dotierten Diamantpartikeln gemischt und anschließend gepresst werden, sodass ein Pressteil, welches gegebenenfalls auf eine Trägerplatte aufgebracht wird, entsteht und welches die Diamantpartikel in einer oder mehreren Schichten eingebettet enthält. Derartige Ausführungen haben den Vorteil, dass bei Abnützung sukzessive neue Schichten von Diamantpartikeln an die Oberfläche kommen, sodass sich die Elektrodenoberfläche quasi erneuern kann. Eine weitere, zur Herstellung erfindungsgemäß ausgeführter Elektroden gut geeignete Methode besteht darin, dass die dotierten Diamantpartikel ein Trägermaterial gesintert werden.
Eine noch andere, zur Herstellung erfindungsgemäß ausgeführter Elektroden gut geeignete Methode, die Metalle bzw. Metalllegierungen aufzubringen, besteht in der Abscheidung dieser aus einer gesättigten Gasphase. Bei diesem Verfahren wird beispielsweise ein Trägermaterial gekühlt und in eine insbesondere sauerstofffreie Atmosphäre (Vakuum) eingebracht. Flüssiges Metall bzw. flüssige
Metalllegierungen befinden sich in der Sublimationskammer. Je nach Metall bzw. Metalllegierung wird die Kammer beispielsweise auf 100 bis 1500° C geheizt. Durch die direkte Abkühlung der Gasphase am Trägermaterial erfolgt die Abescheidung, wobei die dotierten Diamantpartikel eingeschlossen werden.
Niedrigschmelzende Ausgangsmaterialien für die Einbettungsschicht 3, beispielsweise Magnesium und Magnesiumslegierungen, können direkt, insbesondere auf ein metallisches Trägermaterial mit einen höheren Schmelzpunkt, beispielsweise Titanblech, aufgeschmolzen werden. Dies erfolgt unter einer Argon - Schutzatmosphäre und gegebenenfalls unter herabgesetzten Druck. Das Diamantpulver wird auf das verflüssigte Metall aufgebracht, beispielsweise aufgestreut und abgekühlt.
Eine andere Möglichkeit der Einbettung des Diamantpulvers und Bildung der Einbettungsschicht 3 besteht in der galvanischen Coabschneidung eines Metalls bzw. einer Metalllegierung mit Diamantpulver aus wässriger Lösung, beispielsweise einer Zinklösung oder aus einer Salzschmelze, beispielsweise Titan aus einer Alkalisalzschmelze. Das Diamantpulver wird dabei durch Rühren in Suspension gehalten und dadurch quasi zufällig in das abgeschiedene Metall eingebettet.
Die gemäß obigen Verfahren hergestellten Diamantelektroden lassen sich zudem als Ausgangsprodukt für eine weitere Abscheidung von dotieren Diamanten mit gängigen Verfahren, insbesondere CVD- und PVD - Verfahren verwenden. Die zwischen den einzelnen Diamantpartikeln 5 bestehen bleibenden Stellen sind Stellen mit blanken Metalloberflächen der Einbettungsschicht 3, die mit der Lösung reagieren würden. Sie werden daher passiviert, sodass der Stromstransport ausschließlich oder überwiegend durch die Diamantpartikel 5 erfolgt. Für den Oxidationsprozess kann ein wässriges Elektrolytbad verwendet werden, welches entsprechende Oxidationsmittel bzw. Peroxydbildner enthält. Besteht oder enthält die Einbettungsschicht 3 Magnesium, so kann zur Erzeugung einer besonders korrosions- und verschleißbeständigen Schutzschicht durch anodische Oxidation ein Elektrolytbad verwendet werden, welches gemäß der EP-B1-0 333 048 10 bis 80 g pro Liter Borat- oder Sulfationen, 10 bis 70 g pro Liter Phosphationen und 5 bis 35 g pro Liter Fluoridionen und weniger als 100 g pro Liter Alkaliionen enthält und welches auf einen PH-Wert von 5 bis 11 , vorzugsweise 7 bis 9, eingestellt ist. Dabei wird mit Gleichstrom bei steigender Spannung bis 400 Volt gearbeitet und der Gleichstrom kurzzeitig unterbrochen oder gegengepolt. Bezüglich weiterer Details zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens wird auf die erwähnte Patentschrift verwiesen.
Weitere Anionen und / oder Kationen, welche die Ausbildung von dichten keramischen Schichten fördern, wie beispielsweise Aluminiumsalze können während des Oxidationsprozesses in die sich bildende Oxidschicht eingebaut werden. Insbesondere solche Salze finden Verwendung, durch die die mechanische Festigkeit und die Isolationseigenschaften verbessert werden. Alternativ zur anodischen Oxidation ist auch eine chemische Oxidation möglich.
Die mechanische Festigkeit und / oder die Isolationseigenschaften können durch eine Versiegelung der Oxidschicht, etwa mittels wässriger Alkalisilikatlösungen, welche mit Kohlendioxid als schwacher Säure in den Poren ausfällt, verbessert werden. Die Aushärtung kann in kohlendioxidreicher Luft erfolgen. Vorab oder alternativ kann die gesamte Oberfläche der Elektrode durch Einbringen von gelösten Metallsalzen, wie beispielsweise Aluminiumsalzen, mit oder ohne angelegtem Potential in eine Schicht mit keramischen Eigenschaften umgewandelt werden. Durch einen anschließenden Sinterprozess können die keramischen Eigenschaften noch weiter verbessert werden. Eine typische Ausformung der Isolierschicht entspricht einer technischen Keramik wie Cordierit (Mg2AI Si2O-|2). Cordierit ist ein Aluminium-Magnesium-Silikat, auf dessen Basis die Werkstoffgruppen C 410 sowie C 511, C 512, und C 520 aufbauen. Sie zeichnen sich durch besonders niedrige Wärmedehnung und damit verbunden durch eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften werden für die bekanntesten Anwendungen als Automobil- Katalysatorträger und als hochwertiges feuerfestes Haushaltsgeschirr genutzt. Weitere Ausformungen lehnen sich an keramische Techniken an, welche auf der Verwendung von Sinterkorund (AI2O3) oder Yttriumoxid (Y2O3) basieren an. Im Sinne der chemischen Stabilität der Elektroden in verschiedenen Medien können die Keramiken auf den jeweiligen Anwendungszweck durch spezielle Elementzusammensetzungen zugeschnitten werden.
Eine Versiegelung der Oxidschicht lässt sich auch dadurch erreichen, dass auf die Oberfläche aufdampfbare Elemente aufgebracht werden, insbesondere solche, welche zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht geeignet sind.
Alternativ dazu lässt sich eine Versiegelung durch ein anschließendes CVD- oder PVD - Verfahren erreichen, wobei eine zusätzliche Schicht an dotierten Diamantpartikeln auf die in die Oberfläche eingebrachten dotierten Diamantpartikeln aufgebracht wird. Die bei den bislang üblichen Methoden zur Herstellung von Diamantelektroden bekannten Probleme mit Carbidbildung der Unterlage werden hier weitgehend vermieden. Die Beschichtungsdauer sowie der damit verbundene Energiebedarf verringern sich durch die Verwendung von Elektroden, welche nach erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, drastisch.
Da es sich bei den für die Einbettungsschicht eingesetzten Materialen zumindest teilweise um Metalle handelt, die zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht befähigt sind, ist bei mechanischen Verletzungen der Elektrodenoberfläche ein gewisser Selbstheilungseffekt möglich. Dies ist vor allem dann günstig, wenn die Elektrode in der Anwendung als Anode geschalten ist, wie es bei der anodischen Oxidation bzw. der Trinkwasserdesinfektion der Fall wäre. Es sind auch Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Diamantelektroden möglich, die keine nachträgliche Passivierung der Oberflächen erfordern. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die dotieren Diamantpartikel in die Oberfläche von entsprechend beschichteten Trägermaterialien, beispielsweise mit Teflon beschichteten, eingebracht werden. Derart hergestellt Diamantelektroden sind insbesondere für die Herstellung von Gasen, insbesondere von Ozon und / oder Sauerstoff, gut geeignet.
Schließlich sei noch erwähnt, dass keine Trägerschicht vorgesehen sein muss. Falls eine vorgesehen ist, kann diese auch beidseitig mit einer Einbettungsschicht mit Diamantpartikeln versehen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Diamantelektrode mit synthetisch hergestellten, elektrisch leitfähigen (dotierten)
Diamanten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sie in die Oberfläche einer Metall- oder Metalllegierungsschicht eingebettete Diamantpartikel (5) aufweist, die eine leitfähige Verbindung zum Metall bzw. der Metalllegierung herstellen.
2. Diamantelektrode nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die an der Oberfläche der Elektrode zwischen den Diamantpartikeln (5) verbleibenden Stellen mit einer nicht leitenden Oxidschicht (4) versehen und derart passiviert sind.
3. Diamantelektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht leitende Oxidschicht (4) mit einer Versiegelungsschicht, beispielsweise einer Silikatschicht, bedeckt ist.
4. Diamantelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettungsschicht (3) auf eine Schicht aus Trägermaterial (2) aufgebracht ist.
5. Diamantelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Trägermaterial (2) aus durch Oxide passivierten Metallen oder Metalllegierungen, insbesondere aus Titan, Aluminium oder aus Legierungen dieser Metalle, besteht.
6. Diamantelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Trägermaterial (2) auf ihrer Rückseite isoliert ist.
7. Diamantelektrode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus Trägermaterial (2) beidseitig mit einer eingebettete Diamantpartikel aufweisenden Diamantschicht versehen ist.
8. Diamantelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettungsschicht (3) zumindest teilweise aus Elementen, die zur Ausbildung nicht leitender Oxide fähig sind, besteht.
9. Diamantelektrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettungsschicht (3) zumindest ein Metall aus der Gruppe Magnesium, Aluminium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Vanadium und Zink enthält.
10. Diamantelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Oberfläche der Einbettungsschicht (3) eingebetteten Diamantpartikel (5) insbesondere mit Bor, Phosphor oder Stickstoff dotiert sind.
11. Diamantelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Diamantpartikel (5) zwischen 1 bis 700 μm, insbesondere bis zu 200 μm , beträgt.
12. Diamantelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der eingebetteten Diamantpartikel (5) im Wesentlichen übereinstimmt.
13. Verfahren zur Herstellung einer Diamantelektrode, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Pulver aus dotierten, elektrisch leitfähigen, synthetisch hergestellten Diamanten zumindest in die Oberfläche eines Metalls oder einer Metalllegierung derart eingebettet wird, dass eine leitfähige Verbindung zwischen dem Metall bzw. der Metalllegierung und den Diamantpartikeln (5) entsteht.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Diamantpartikel direkt in ein Trägermaterial, welches zumindest ein Element enthält, das zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht fähig ist, durch mechanische Kräfte und/oder Temperatur eingebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Diamantpartikel in die Oberfläche des Trägermaterials eingepresst oder eingewalzt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Diamantpartikel in Fluiden beschleunigt werden und somit beim Aufprall in die Oberfläche eingebracht werden.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Diamantpartikel mit Pulvern von Metallen oder Metalllegierungen, welche zur Ausbildung einer nicht leitenden Oxidschicht befähigt sind, gemischt und gepresst werden, sodass eine Pressteil, gegebenenfalls mit Trägerplatte, entsteht, welcher die Diamantpartikel in einer oder mehreren Schichten eingebettet enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten Diamantpartikel auf ein Trägermaterial gesintert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle bzw. Metalllegierungen aus der Gasphase abgeschieden werden.
20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial für die Einbettungsschicht (3) niedrigschmelzende
Materialien, beispielsweise Magnesium oder eine Magnesiumslegierung, verwendet werden, welche auf einer insbesondere metallischen Trägerschicht (2) mit einem höheren Schmelzpunkt aufgeschmolzen werden, wobei das Diamantpulver bereits mit dem Pulver der Legierung vermengt ist oder anschließend auf das noch flüssige Metall aufgebracht wird und schließlich abgekühlt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall oder eine Metalllegierung mit Diamantpulver galvanisch abgeschieden wird, wobei eine wässrige Lösung oder eine Salzschmelze verwendet wird, in welcher das Diamantpulver durch Rühren oder dergleichen in Suspension gehalten wird und in das abgeschiedene Metall eingelagert wird.
22. Verwendung der gemäß zumindest einem der Ansprüche 13 bis 21 hergestellten Diamantelektrode als Ausgangsprodukt für eine weitere Abscheidung von dotierten Diamanten mit gängigen Verfahren, insbesondere CVD- und PVD-Verfahren.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Einbettungsschicht (3) bzw. das Trägermaterial leitfähige Metalle oder Metalllegierungen verwendet werden, die zumindest teilweise aus zumindest einem zur Ausbildung nicht leitender Oxide fähigen Elementen besteht, wie Magnesium, Aluminium, Titan, Yttrium, Zirkonium, Hafnium, Tantal, Vanadium oder Zink.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Diamantpartikeln (5) frei bleibenden Metallflächen bzw. -stellen passiviert werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Passivierung eine Oxidschicht mittels anodischer oder chemischer Oxidation erzeugt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die anodische Oxidation durch Gleichstrom, gepulsten Gleichstrom oder Wechselstrom mit überwiegender anodischer Phasendauer durchgeführt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung der anodischen Oxidation insbesondere wässrige Lösungen verwendet werden, welche in Kombination Borat-, Sulfat-, Phosphat-, und Fluoridionen enthalten.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationslösungen gepuffert werden.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht versiegelt wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht mit wässrigem Silikat nachbehandelt wird, welches an kohlendioxidreicher Luft ausgehärtet wird.
31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche durch Eindringen von gelösten Metallsalzen, mit oder ohne angelegtem
Potential, in eine Schicht mit Eigenschaften einer technischen Keramik, wie Cordierit oder Sinterkorund, umgewandelt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dotierten leitfähigen Diamantpartikel in die Oberfläche von beschichteten
Trägermaterialien, insbesondere mit Teflon beschichteten, eingebracht werden.
33. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß Anspruch 32 hergestellten Diamantelektroden für die Herstellung von Gasen, insbesondere von Ozon und / oder Sauerstoff.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 sowie 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Diamantpulvers eine Korngröße von 1 bis 700 μm, insbesondere von bis zu 200 μm, aufweisen.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 sowie 23 bis 32 und 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Diamantpulvers mit Bor, Phosphor oder Stickstoff dotiert sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21 sowie 23 bis 32 und 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Diamantpulvers zumindest im Wesentlichen übereinstimmende Korngrößen aufweisen.
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