EP3481973A1 - Selective electrochemical hydrogenation of alkynes to alkenes - Google Patents

Selective electrochemical hydrogenation of alkynes to alkenes

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EP3481973A1
EP3481973A1 EP17758461.2A EP17758461A EP3481973A1 EP 3481973 A1 EP3481973 A1 EP 3481973A1 EP 17758461 A EP17758461 A EP 17758461A EP 3481973 A1 EP3481973 A1 EP 3481973A1
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EP
European Patent Office
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copper
chemical formula
alkyne
layer
electrode
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EP17758461.2A
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German (de)
French (fr)
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EP3481973B1 (en
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Bernhard Schmid
Günter Schmid
Christian Reller
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3481973A1 publication Critical patent/EP3481973A1/en
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Publication of EP3481973B1 publication Critical patent/EP3481973B1/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B3/00Electrolytic production of organic compounds
    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031Porous electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a process for alignl ⁇ len electrochemical hydrogenation of alkynes by the chemical formula (I) to alkenes,
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals
  • alkenes such as ethene or propene currently takes place mainly through the catalytic cleavage of
  • Crude oil (Naphta).
  • alkynes eg ethyne
  • These can also be represented for example from coal or carbides and are therefore not dependent on crude oil.
  • selectivity problems occur.
  • ⁇ fig over-reduction to the alkane take place.
  • the necessary for the hydrogenation, hydrogen is also currently derived from coal gasification or steam reforming ⁇ and is therefore also associated with oil production.
  • the catalytic hydrogenation of alkynes has been achieved by special poisoned noble metal catalysts.
  • An example of this is the Lindlar catalyst, which is a palladium catalyst poisoned with lead and quinoline.
  • Another possibility is the "Birch analogue"
  • the latter process is very expensive, but selective for E-alkenes, and new approaches to the production of hydrocarbons from, for example, carbon dioxide or carbon monoxide are emerging as part of the electrification of the chemical industry.
  • electrochemical hydrogenation of ethyne to ethene is known from X. Song, H. Du, Z. Liang, Z. Zhu, D. Duan, S. Liu, Int. J. Electrochem. Sei., 2013, 8,
  • the present invention relates to a process for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals, wherein the compound of the chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode.
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
  • R and R x are selected from inorganic and / or organic radicals, comprising:
  • An electrolysis cell (1) comprising a copper-containing Elect ⁇ rode, which is adapted to the alkyne to reduce the chemical ⁇ For mel (I) to alkene;
  • Figure 1 shows a schematic representation of the erfindungsge ⁇ MAESSEN device.
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals
  • Alkynes are all chemical compounds which have a triple bond between 2 carbon atoms. The method is therefore not limited to ethyne but can be applied to other alkynes.
  • the good selectivity comes from the low
  • the copper-containing electrode is not particularly limited and may include copper in addition to other components such as other metals and / or ceramics as a substrate, but may also be made of copper. It may also be chemically treated, for example for oxide formation. Likewise, it may be formed as a solid electrode or as a gas diffusion electrode.
  • the better substrate availability for alkynes means that Tere, so the gas diffusion electrode particularly suitable, in particular for gaseous alkynes such as ethyne, propyne, 1-butyne or 2-butyne.
  • gaseous alkynes such as ethyne, propyne, 1-butyne or 2-butyne.
  • the present copper-containing electrodes are much less expensive.
  • Electrode can be obtained by a layer comprising a Cu + / Cu-containing catalyst is deposited on a non-copper substrate, as described in DE 10 2015 203 245, or else by the layer on a copper substrate from ⁇ divorced.
  • the Cu + / Cu-containing catalyst is also referred to below as a copper / copper ion catalyst, copper catalyst or the like or simply as a catalyst, if not otherwise stated in the text, so these Be ⁇ handles in the context of to understand the present invention synonymous.
  • the non-copper substrate is also referred to simply as Sub ⁇ strat, so does not result from the text otherwise.
  • the non-copper substrate contains copper, as long as it does not consist essentially of copper.
  • the substrate can also be made of brass or brass.
  • the non-copper substrate comprises less than 60% by weight of copper, based on the total weight of the substrate, preferably less than 50% by weight, more preferably less than 40% by weight and particularly preferably less than 20% by weight of copper , example ⁇ as no copper.
  • the substrate comprises at least one metal such as silver, gold, platinum, nickel, lead, titanium, nickel, iron, manganese, or chromium or their alloys such as stainless steels, and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped diamond, etc., and / or at least one conductive oxide such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), or fluorinated tin oxide (FTO), for example for manufacturing of photoelectrodes, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole for the preparation of polymer-based electrodes.
  • the preparation of the CuVCu-containing catalyst can be carried out in various manners and is not particularly limited, and the various preparation processes of the CuVCu-containing catalyst can also be carried out on copper substrates.
  • electro-reduction catalysts can be obtained when the catalyst is deposited in-situ on the electrode substrate.
  • ex-situ deposition is not excluded according to the invention.
  • the substrate here does not necessarily have to comprise copper or be copper, but may contain any conductive material, in particular also conductive oxides.
  • the porous Substituted ⁇ staltungen of such an electrode in order to obtain gas diffusion electric ⁇ are.
  • Charge compensation in the Cu + / Cu-containing catalyst can take place by incorporation of anions in solution during production, for example hydroxide ions (OH - ), O 2 - , halide ions (halogen), for example fluoride, chloride, bromide, iodide, Sulfate, bicarbonate, carbonate or phosphates etc.
  • anions in solution during production for example hydroxide ions (OH - ), O 2 - , halide ions (halogen), for example fluoride, chloride, bromide, iodide, Sulfate, bicarbonate, carbonate or phosphates etc.
  • the copper-comprising layer can also be deposited from a solution comprising copper ions on the surface of the electrode.
  • dendritic structures can be applied from solution in the coating, in which case no complete coating of the substrate has to be achieved, that is to say parts of the substrate are also removed. Strats can be visible.
  • the coating of the substrate, as well as the structures of the catalyst may in this case at ⁇ play, by means of scanning electron microscopy (SEM) or transmission electron microscopy (TEM) to be analyzed.
  • the substrate is not necessarily completeness, ⁇ dig covered by the coating.
  • the Bede ⁇ ckung the coating as a surface for example, be 10 to 99, 9%, relative to the surface of the substrate, preferably 50 to 95%, more preferably 70 to 90%.
  • the substrate is only covered in such a way that the growth of the Katalysa ⁇ tors carried dendritic.
  • the CuVCu-containing catalyst in this case may have pores in a size of 10 nm to 100 ym, preferably from 50 nm to 50 ym, more preferably from 100 nm to 10 ym.
  • the Cu catalyst Cu-containing + / can dendritic struc ⁇ ren with fine structure, for example the distance between two dendrites which have a size of 1 to 100 nm preferably from 2 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm.
  • the Be ⁇ For example, layering is porous.
  • the Cu + / Cu-containing catalyst may be at least 40 wt.% Crystalline, based on the catalyst, more preferably at least 70 wt.%, Particularly preferably at least 80 wt.%, Where the Cu + / Cu containing catalyst and / or the coating may be crystalline.
  • the substrate can be porous, for example in order to be able to produce gas diffusion electrodes.
  • the substrate may have pores in a size of 10 nm to 100 ym, preferably from 50 nm to 50 ym, more preferably from 100 nm to 10 ym. Due to the porous design of the non-copper substrate, or Also, a copper substrate, such as a Gasdif ⁇ fusion electrode, a good transport of a gaseous alkyne for Cu + / Cu-containing catalyst can be ensured and the efficiency of the electrolysis can be further improved. In particular, it can be ensured by a suitable pore size ei ⁇ ne targeted guidance to certain sections of the catalyst.
  • the concentration of Cu + in the porous copper catalyst layer / the coating comprising the catalyst Cu + / Cu-containing for example, greater than 1 mol%, preferably greater than 5 mole%, more preferably more than 10 mol%, particular ⁇ DERS preferably greater than 20 mole%, and for example up to 99.9 mole%, based on the coating.
  • the substrate may be porous.
  • the substrate may in this case have pores in a size of 10 nm to 100 ⁇ m, preferably from 50 nm to 50 ⁇ m, more preferably from 100 nm to 10 ⁇ m. This is for example the case for preferred embodiments in which the electrode is a gas diffusion electrode.
  • the substrate comprises playing at least one metal such as silver, platinum, nickel, lead, titanium, nickel, iron, manganese or chromium or their alloys such as stainless steels, and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped Di ⁇ amant, etc., and / or at least one conductive oxide, such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), or fluorinated tin oxide (FTO) - for example for the production of photo ⁇ electrode, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole, such as in polymer-based electrodes.
  • a metal such as silver, platinum, nickel, lead, titanium, nickel, iron, manganese or chromium or their alloys such as stainless steels
  • non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-d
  • the coating is at least partially crystalline.
  • execution ⁇ catalyst Cu + / Cu-containing by weight is at least 40.% Crystalline, based on the catalyst, more preferably at least 70 wt.%, Particularly preferably at least 80 min ⁇ wt.%.
  • the Cu + / Cu-containing catalyst and / or the coating is crystalline.
  • the coating of the copper-containing electrode is microporous to nanoporous and / or has a particularly high surface area of, for example, more than 500 m 2 / g, preferably equal to or greater than 800 m 2 / g, more preferably equal to or greater than 1000 m 2 / g. According to certain embodiments, the coating is therefore porous.
  • the Cu + / Cu-containing catalyst may have pores in a size of 10 nm to 100 ⁇ m, preferably from 50 nm to 50 ⁇ m, more preferably from 100 nm to 10 ⁇ m.
  • the catalyst Cu + / Cu-containing can dendritic structures with a fine structure, for example the distance between two Dend ⁇ rites, having a size of 1 to 100 nm, preferably 2 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm.
  • the concentration of Cu + layer in the porous copper catalyst is, for example, greater than 1 mol%, preferably RESIZE ⁇ SSER than 5 mol%, more preferably more than 10 mol%, particularly preferably greater than 20 mole%, and up to 99, 9 Mol%, based on the coating.
  • the coverage of the coating as a surface in the kupferhalti- gen electrode may, for example, 10 to 99, amounted to 9%, ⁇ be attracted to the surface of the substrate, preferably 50 to 95%, more preferably 70 to 90%.
  • the substrate is covered such that the growth of the catalyst is dendritic.
  • the copper-containing electrode is formed as the gas diffusion electrode (GDE)
  • GDE gas diffusion electrode
  • a gas diffusion electrode as a copper-containing electrode comprises, for example, a preferably copper-containing carrier, preferably in the form of a sheet, and a first
  • the (first) layer hydrophilic and hydrophobic Po ⁇ ren and / or channels comprises, further comprising a second layer comprising copper and at least one binder, wherein the second layer is on the support and the first layer on the second layer, wherein the content of binder in the first layer is smaller than in the second layer.
  • hydrophobic water repellent is understood here. Hydro ⁇ phobic pores and / or channels are thus those which reject water.
  • hydrophobic properties are associated with substances or molecules with nonpolar groups. In contrast, the ability to
  • the second layer may comprise hydrophilic and / or hydrophobic pores and / or channels.
  • gas diffusion electrode comprising a, preferably copper-containing, carrier, preferably in the form of a sheet, and
  • a first layer comprising at least copper and at least one binder, the layer comprising hydrophilic and hydrophobic polymers and / or channels.
  • the hydrophilic and hydrophobic regions of the GDE can achieve a good three-phase relationship liquid, solid, gaseous. It can be found for example in the electrode to electric ⁇ lytseite hydrophobic channels or areas and hydrophilic Kanae ⁇ le or areas, wherein in the hydrophilic regions Ka low activity catalysts. Furthermore, inactive catalyst sites are located on the gas side. Particularly active centers are in Dreipha ⁇ sen capable liquid, solid, gaseous.
  • An ideal GDE has so-on with a maximum penetration of the bulk material with hydro ⁇ hydrophilic and hydrophobic channels to get as many three-phase ⁇ areas for active centers. In this respect, it is preferable to ensure that the first layer comprises hydrophilic and hydrophobic pores and / or channels.
  • the carrier is not particularly limited as above, insofar as it is suitable for a gas diffusion electrode and is preferably copper-containing.
  • parallel wires can form a carrier in extreme cases.
  • the carrier is a sheet, more preferably a mesh, most preferably a copper mesh.
  • the carrier consists of copper.
  • a preferred copper-containing carrier is, according to certain embodiments, a copper mesh with a mesh width w of 0.3 mm ⁇ w ⁇ 2.0 mm, preferably 0.5 mm ⁇ w ⁇ 1.4 mm and a wire diameter x of 0.05 mm ⁇ x ⁇ 0.5 mm, Favor 0.1 mm ⁇ x ⁇ 0.25 mm.
  • the binder comprises a polymer, for example a hydrophilic and / or hydrophobic polymer, for example a hydrophobic polymer, in particular PTFE.
  • a suitable adjustment of the hydrophobic pores or channels can be achieved.
  • Suitable PTFE powders include, for example, Dyneon® TF 9205 and Dyneon TF 1750.
  • Suitable binder particles for example, PTFE particles may at ⁇ play, be approximately spherical, for example sphe ⁇ driven, and can be prepared for example by Emulsionspolymerisati ⁇ on. In certain embodiments, the binder particles are free of surfactants.
  • the particle size can be determined, for example, according to ISO 13321 or D4894-98a and can correspond, for example, to the manufacturer's instructions (eg TF 9205: medium
  • the first layer comprises at least copper, which may be present for example in the form of metallic copper and / or copper oxide and which acts as a catalyst center.
  • the first layer preferably contains metal ⁇ metallic copper in the oxidation state 0th
  • the first layer may, for example, copper oxide contained ⁇ th, in particular CU 2 O.
  • the oxide can in this case contribute to stabilize the oxidation states of +1 of the copper and thus to obtain the selectivity for ethylene long-term stability. Under electrolysis conditions, it can be reduced to copper.
  • the first layer comprises at least 40 at. %
  • the first layer may also hold other promoters ent ⁇ which improve in cooperation with the copper, the specific catalytic activity of the GDE.
  • the first layer contains at least one metal oxide, preferably ZrÜ 2 , Al 2 O 3 , CeÜ 2 , Ce 2 ⁇ 03, ZnÜ 2 , MgO; and / or at least one copper ⁇ rich intermetallic phase, preferably at least a Cu-rich phase, which is selected from the group of binary systems Cu-Al, Cu-Zr, Cu-Y, Cu-Hf, Cucé, Cu-Mg and the ternary systems Cu-Y-Al, Cu-Hf-Al, Cu-Zr-Al, Cu-Al-Mg, Cu-Al-Ce with Cu contents> 60 at .-%; and / or copper-containing at least one metal oxide, preferably ZrÜ 2 , Al 2 O 3 , CeÜ 2 , Ce 2 ⁇ 03, ZnÜ 2 , MgO; and / or at least one copper ⁇ rich intermetallic phase, preferably at least a Cu-rich phase, which is selected from the group of binary systems Cu-Al, Cu-
  • Perovskites and / or defect perovskite and / or perovskite related compounds preferably YBa 2 Cu307-s, wherein ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (corresponding YBa2Cu307- 6 X a), CaCu3 i 4 0I2,
  • Preferred promoters here are the metal oxides.
  • the metal oxide used is preferably water-insoluble, since ⁇ can be used with aqueous electrolytes in an electrolysis using Verwen ⁇ tion of the gas diffusion electrode according to the invention.
  • the metal oxides are not inert, but are intended to represent hydrophilic reaction centers that can serve for the provision of protons.
  • the promoters in particular the metal oxide, can in this case promote the function and production of long-term stable electrocatalysts by stabilizing catalytically active Cu nanostructures.
  • the structural promoters can reduce the high surface mobilities of the Cu nanostructures and thus their sintering tendency.
  • the concept comes from the heterogeneous catalysis and is recognized ⁇ rich used within high temperature processes.
  • the oxides mentioned are not added as additives, but part of the Catalyst itself are.
  • the oxide met in addition to his radio ⁇ tion as a promoter also the feature copper in the oxidation state I to stabilize. Particularly preferred are for such gas diffusion electric ⁇ the metal oxide-copper catalyst structures which are produced as follows.
  • CU6AI 2 CO3 (OH) 1 6 .4 (H 2 O) which can be obtained in greater yield.
  • the entspre ⁇ sponding precursors may be prepared by co-dosage of a metal salt solution and a basic carbonate pH are precipitated controlled. A special feature of these materials is the presence of ultra-fine copper crystallites with egg ner size of 4-10 nm, which are stabilized struc ⁇ rell through the existing oxide.
  • drying can be carried out with subsequent calcination in the 0 2 / Ar gas stream.
  • Oxid precursors can also be connected directly in one
  • H2 / Ar gas flow can be reduced, whereby only the CU 2 O or CuO is reduced to Cu and the oxide promoter is maintained.
  • the activation step can also be done afterwards electrochemical ⁇ mixed.
  • Copper powder in similar particle size can be added to increase speed.
  • Another possibility of producing suitable electrocatalysts is based on the approach of producing copper-rich intermetallic phases such as, for example, CusZr, CuioZr 7 ,
  • Cu5iZri 4 which can be produced from the melt. Suitable ingots can subsequently be ground and completely or partially calcined in the O 2 / argon gas stream and converted into the oxide form.
  • Copper-rich phases are, for example, E. Kneller, Y. Khan, U. Gorres, The Alloy System Copper zirconium, Part I. Phase Diagram and structural relations, Journal of Me ⁇ tallischen 77 (1), pp 43-48, 1986 for Cu-Zr phases, from
  • the content of copper is preferably greater than 40 at.%, Further be ⁇ vorzugt greater than 50 at.%, Particularly preferably greater than 60 At. %.
  • intermetallic ⁇ phases also contains non-metal elements such as oxygen, nitrogen, sulfur, selenium and / or phosphorus, so for example, oxides, sulfides, selenides, nirides and / or
  • Phosphides are included.
  • the intermetallic ⁇ intermetallic phases are partially oxidized.
  • copper-containing perovskite structures and / or defect perovskites and / or perovskite-related compounds can be used for electrocatalysts: YBa 2 Cu 3 O 7 - 6 , where ⁇ ⁇ ⁇ , CaCu 3 Ti 4 O 2,
  • the catalyst particles comprising or consisting of copper for example, copper particles used to prepare the GDE, have a uniformity
  • the Catalyst particles preferably have a high purity without foreign ⁇ metal traces.
  • the promoters for example the metal oxides, may have an appropriate particle size in the production.
  • Cu powder aggregates having a particle diameter of 50 to
  • the particle diameter of these additives is for example 1 / 3-1 / 10 of the total layer thickness of the layer.
  • the addition may also be an inert material such as a metal oxide. As a result, an improved formation of pores or channels can be achieved.
  • the first layer comprises less than 5 wt.%, More preferably less than 1 wt.%, And even more preferably no carbon- and / or carbon black-based, for example, conductive, filler with respect to the layer.
  • the first layer does not contain any surface-active substances.
  • the first and / or second layer do not contain a sacrificial material, eg a sacrificial material with a release temperature of approximately below 275 ° C, eg below 300 ° C or below 350 ° C, in particular no pore former, which or more commonly wise in the production of electrodes using such a material at least partially in the electrode to ⁇ backward can.
  • the content and proportion of binder such as PTFE, may wt at ⁇ play 3-30.%, Preferably 3-20 wt.%, More before Trains t ⁇ 3-10 % By weight, even more preferably 3-7% by weight, based on the one (first) layer.
  • the GDE described above further comprising a second layer of copper and at least one binder, wherein the two ⁇ th layer is located on the support and the first layer on the second layer, wherein the content of the binder in the first layer is smaller than in the second layer. Dane ⁇ Ben, the second layer coarser Cu or
  • Particle diameters of 50 to 700 ym, preferably 100-450 ym include, in order to provide a suitable channel or pore structure ready ⁇ .
  • the second layer here comprises 3 to 30% by weight of binder, preferably 10 to 30% by weight of binder, more preferably 10 to 20% by weight of binder, preferably 10% by weight of binder, more preferably more than 10% by weight. and up to 20% by weight of binder, based on the second layer, and the first layer of 0-10% by weight of binder, eg 0.1 to 10% by weight of binder, preferably 1 to 10% by weight of binder, more preferably 1 to 7% by weight, even more preferably 3 to 7% by weight of binder, based on the first layer.
  • the binder can be the same as in the first one
  • the Parti ⁇ kel for the preparation of the second layer in accordance with certain embodiments of the first corresponding to those however also be different from this.
  • the second layer is in this case a metal particle layer (metal particle layer, MPL), which un ⁇ terrenz the catalyst layer is (CL).
  • MPL metal particle layer
  • CL catalyst layer
  • MPL metal particle layer
  • the second layer partially penetrates the first layer. This allows a good transition between the layers in terms of diffusion.
  • the GDE according to the invention may also have further layers, for example on the first layer and / or on the other side of the support.
  • a mixture for an MPL based on a highly conductive Cu mixture of dendritic Cu having particle sizes between 5-100 ⁇ m, preferably less than 50 ⁇ m and coarser Cu or inert material particles can be used
  • MPL better mechanical stability, ei ⁇ ne further reduction of the penetration of electrolyte and better conductivity, especially when using networks as carriers, can be achieved.
  • a stepwise production of the GDE by each sieving and rolling of each individual layer can lead to a lower adhesion between the layers and is therefore less preferred.
  • the degree of fibrillation of the binder for example PTFE, (structural parameter ⁇ ) correlates directly with the applied shear rate, since the binder, for example a polymer, behaves as a shear-thinning (pseudoplastic) fluid upon swelling. After extrusion, the resulting layer has an elastic character due to the fibrillation. This structural change is irreversible, so that this effect can no longer be subsequently enhanced by further rolling, but the layer is damaged by the elastic behavior upon further action of shear forces.
  • a particularly strong fibrillation can disadvantageously lead to a layer-side coiling of the electrode, so that too high contents of binder should be avoided.
  • the base layer can be characterized by a very high conductivity, for example 7 mOhm / cm or more, and preferably has a high porosity, for example of 50-70%, and a hydrophobic character.
  • the binder content, for example PTFE can be selected, for example, between 3-30% by weight, for example 10-30% by weight.
  • the intermediate copper layer as the second layer can be catalytically active in the region of the overlap zone to the catalyst layer as the first layer itself, and serves in particular for better planar electrical connection of the electrocatalyst. Using this method, the required amount of catalyst can be reduced by a factor of 20-30.
  • the method of the two-layer structure offers the possibility of dispensing with binder materials as the first layer within the catalyst layer, as a result of which better electrical conductivity can be achieved. It can also handle very ductile or brittle powder Parti ⁇ kel.
  • a subsequent activation of the electrochemical receive ⁇ NEN electrode may optionally be carried out, for example by chemical or electrochemical activation, and is not particularly limited.
  • An electrochemical Aktvie ⁇ approximately procedure may lead to the conducting salt of the electrolyte cations (eg, KHC0 3, K 2 S0 4 NaHC0 3, KBr, NaBr) to penetrate into the hydrophobic channels GDE and characterized hydrophilic regions are created.
  • the process according to the invention is suitable for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
  • the inorganic and / or organic radicals are not particularly limited, and the inorganic radicals may also comprise organic substructures, for example in adducts or complexes.
  • Organic radicals according to certain embodiments comprise 1 to 100 C atoms, for example 1 to 40 C atoms, preferably 1 to 20 C atoms, for example 1 to 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 C atoms or else also only 1 C atom.
  • Suitable inorganic radicals are all inorganic radicals. Derivatives of inorganic radicals and / or substituted organic radicals are also suitable.
  • ⁇ organic and / or organic radicals are, for example, -H, -D, -OH, -OR *, -SH, -SR *, -NH 2, -NR * R *, -COOH, -COOR *, -CHO , - COR *, -PH 2, -PR * R *, -F, -Cl, -Br, -I, -NO, -N0 2, and substi ⁇ -substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups conceivable, wherein R * and R * likewise be ⁇ undesirables organic, for example having 1 to 100 carbon atoms, for example 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 20 carbon atoms, for example 1 - 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 carbon atoms or but also only 1 C atom, or inorganic side chains, such as - H, -D, -OH, -SH,
  • Electrochemical finds the reaction THROUGH USE of electricity, for example, in an electrolysis cell ⁇ instead.
  • the inorganic and / or organic radicals R and R x are selected from substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and / or aryl radicals, preferably alkyl and / or aryl radicals, preferably from 1 to 40 carbon atoms.
  • Atoms preferably 1 to 20 C atoms, eg 1 to 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 C atoms or even only 1 C atom, -H, -D, -OH, -OR * , -SH, -SR *, -NH 2 , _NR * R *, -COOH, -COOR *, -CHO, -COR *, -PH 2 , -PR * R *, -F, -Cl, -Br, -I, - NO, and -NO 2 , where R * and R * represent organic and / or inorganic radicals, which are preferably selected from -H, - D, -OH, -SH, -NH 2 , -COOH, - CHO, -PH 2 , -F, -Cl, -Br, -I, -NO, - NO 2 , as well as substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, al
  • Suitable substituents for the substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups or radicals are, for example, -D, -OH, -SH, -NH 2 , -COOH, -CHO, -PH 2 , - F, - Cl, -Br, -I, -NO, -NO 2 in question. So it can be func- side-chains such as -CH 2 -OH or fluorinated alkyl and / or aryl radicals such as -CF 3 .
  • R and R x are each -H or -D, then the compound of the chemical formula (I) is the special case of ethyne. If either R or R is not both, -H or -D, the alkyne is called a terminal alkyne. For internal alkynes, neither R nor R x is -H or -D. In the case of terminal alkenes, the amount of charge used is preferably precisely controlled, since overhydration, albeit with poor efficiency, is possible. According to certain embodiments, due to this necessary control, neither R nor R x is -H or -D, so internal alkynes are hydrogenated.
  • alkyne of the chemical formula (I) has no electron withdrawing groups.
  • the elec- Ronen-withdrawing groups are selected from -COOH, -COOR *, and fluo ⁇ tured alkyl and / or aryl groups, preferably perfluorinated alkyl and / or aryl radicals as -CF. 3
  • alkynes which do not carry any functional groups which, in turn, can be converted by electroreduction preference is likewise given to alkynes which do not carry any functional groups which, in turn, can be converted by electroreduction.
  • a simultaneous electro-reduction of a reducible side chain or a reducible radical is possible.
  • chain alkynes with a reducible side or a reducible rest are alkynes which func tional ⁇ groups such as -CHO, -COR *, -NO, or -NO 2 or their carry side chains containing these residues.
  • aldehydes (-CHO), ketones (-COR *) and nitro compounds (- NO 2 ) could be confirmed experimentally.
  • the alkyne of the chemical formula (I) has no further reducible functional groups other than the triple bond.
  • Particular preference is in the novel process gas ⁇ shaped or water-soluble / water-miscible alkynes, wherein ⁇ play, gaseous alkynes, alkyne of the chemical ⁇ For mel (I). Examples of such suitable compounds are ethyne,
  • the copper-containing electrode is formed as a gas diffusion electrode, wherein the alkyne of the chemical formula ⁇ (I) is present in gaseous form.
  • the hydrogenation is carried out with a proton donor selected from water and alcohols having 1 to 20 C atoms, preferably water and alcohols having 1 to 12, eg 1 to 6 or 1 to 4 C atoms, more preferably Water.
  • the water may in this case also be partially or completely deuterated, ie include as HDO or D 2 O, or else tritium, for example in the production of radioactive markers.
  • an electrolyte which can be used in the method of the present invention is not particularly limited, an aqueous electrolyte is thus advantageously used.
  • any conductive salts and / or ionic liquid be used.
  • mixtures of water with inert organic solvents such as 1,4-dioxane can be used to improve substrate solubility.
  • the present invention relates to the use of a copper-containing electrode for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
  • the copper-containing electrode in this case corresponds to that which has been described in connection with the method according to the invention.
  • the present invention relates to a device for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
  • R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals, comprising an electrolytic cell (1) comprising a copper-containing Elekt ⁇ rode, which is adapted to reduce the alkyne of the chemical For ⁇ mel (I) to alkene;
  • a source of the alkyne of the chemical formula (I) (3) which is designed to provide the alkyne of the chemical formula (I) be ⁇ ; and a first feed means (2) for the alkyne of the chemical formula (I), which is adapted to supply the alkyne of chemi ⁇ 's formula (I) from the source of the alkyne of chemical formula (I) of the electrolytic cell.
  • the electrolytic cell is not particularly limited insofar as it has the copper-containing electrode which may correspond to that in the method according to the invention.
  • the inventive method can be carried out with the device according to the invention.
  • the copper-containing electrode can act as a cathode.
  • the further Be ⁇ constituents of the electrolytic cell as the anode, possibly the membrane, power source, etc. are not particularly limited, such as not their arrangement.
  • Examples of a possible cell arrangement are as follows.
  • a cathode compartment II can be designed such that a
  • Catholyte is supplied from below and then leaves the Ka ⁇ method space II upwards.
  • the catholyte may be supplied from above but, as for example in case ⁇ film-electrodes.
  • the oxidation of a substance takes place in an anode space I, which is supplied from below, for example with an anolyte the anolyte leaves with the product of the oxidation then the anode compartment.
  • Anode space and cathode space can be separated by a membrane M.
  • a reaction gas such as an alkyne of the chemical formula (I) may be replaced by a
  • Gas diffusion electrode can be promoted as a cathode in the cathode compartment II for reduction.
  • Embodiments with a porous anode are also conceivable. Rooms I and II can be separated by a membrane M as described.
  • a cathode K for example a gas diffuser
  • sion electrode and an anode A directly to the membrane M, where ⁇ is separated by the anode compartment I from the cathode compartment II.
  • a structure may be provided with a Gasdif ⁇ fusion electrode provided for example catholyte which is not connected to the membrane, whereas the anode may be due to the membrane on anolyte.
  • a Gasdif ⁇ fusion electrode provided for example catholyte which is not connected to the membrane, whereas the anode may be due to the membrane on anolyte.
  • other hybrid forms or other embodiments of the exemplified electrode spaces are conceivable.
  • Electrolyte and the anode-side electrolyte thus be identical, and the electrolysis cell / electrolysis unit can do without membrane. However, it is not excluded that the electrolysis cell in such embodiments has a membrane ⁇ ran, but this is ver ⁇ connected with additional effort in terms of the membrane as well as the applied voltage. Catholyte and anolyte can be mixed again optional and outside the electric ⁇ lysezelle.
  • the membrane can also be multi-layered, so that separate feeds of anolyte or catholyte are made possible. Separation effects in aqueous electric ⁇ LYTEN achieved for example by the hydrophobicity of intermediate layers ⁇ . Nevertheless, conductivity can be ensured if conductive groups are integrated in such separation layers.
  • the membrane may be an ion-conducting membrane, or a separator, which causes only a mechanical separation and is permeable to cations and anions.
  • a gas diffusion electrode By using a gas diffusion electrode, it is mög ⁇ Lich to establish a three-phase electrode.
  • a gas can be guided from behind to the front side of the electrically active electrode to carry out an electrically ⁇ chemical reaction there.
  • the gas diffusion electrode may also only to be traversed, ie a gas such as the alkyne of the chemical formula (I) is passed past the rear side of the gas diffusion electrode in relation to the electrolyte, wherein the gas can then penetrate through the pores of the gas diffusion electrode and the product can be discharged behind.
  • the gas flow during the backflow is reversed to the flow of
  • Electrolytes so that any squeezed liquid can be transported from ⁇ .
  • a cell variant made ⁇ light direct active flow through the GDE with a gas.
  • the resulting products are made by the
  • the second cell variant describes a mode of operation in which the gas flows in the rear region of the GDE through an adapted gas pressure.
  • the gas pressure should be chosen so that it is equal to the hydrostatic pressure of the electrolyte in the cell, so that no electrolyte is pushed through.
  • a film can be deposited on the side remote from the electrolyte side of the gas diffusion electrode to prevent the electrolyte on conversion to gas.
  • the film may in this case be suitably provided and is, for example, hydrophobic.
  • the electrolytic cell on a diaphragm which separates the cathode chamber and the anode chamber of the electrolytic cell to prevent a mixing of the electric ⁇ LYTEN.
  • the membrane is not particularly limited here, as long as it separates the cathode space and the anode space. In particular, it essentially prevents one
  • a preferred membrane is an ion exchange membrane, for example polymer based. Next Polymer membranes can also be used ceramic membranes.
  • the material of the anode is not particularly limited and depends primarily on the desired reaction.
  • exemplary anode materials include platinum or platinum alloys, palladium or palladium alloys, and glassy carbon.
  • Other anode materials are also conductive Oxi ⁇ de such as doped or undoped Ti0 2, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), iridium oxide, etc. If necessary, these catalytic acti ⁇ ven compounds may be deposited on the surface even in thin-film technology, for example on a titanium carrier.
  • the source of the alkyne of the chemical formula (I) and a first feeding means (2) of the alkyne of the chemical formula (I) are not particularly limited.
  • the alkyne of the chemical formula (I) may be derived for example from a pre ⁇ storage container or other container as well as of a sepa- rate reactor, etc. as a source.
  • a first feeder for example, pipes, hoses, etc. are used.
  • the source of the alkyne of the chemical formula (I) and the first feed means (2) of the alkyne of the chemical formula (I) are adapted to the particular alkyne with respect to the materials used so that they are not affected by the alkyne of the chemical formula ( I) are attacked.
  • feeding devices e.g. be provided for electrolyte, discharge devices, pumps, heating and / or cooling devices, etc.
  • the copper-containing electrode is designed as a gas diffusion electrode, wherein the first feed device (2) for the alkyne of the chemical formula (I) feeds the alkyne of the chemical formula (I) of the Gasdiffusi ⁇ onselektrode.
  • the four following embodiments were performed in an H cell.
  • a 2 cm 2 solid Cu electrode was used, which was coated with high purity Cu from a CuSC ⁇ solution.
  • a constant current of 30 mA was applied.
  • KBr was USAGE ⁇ det 0.
  • IM aqueous As the electrolyte, KBr was USAGE ⁇ det 0. IM aqueous.
  • the ano ⁇ denraum was separated by a Nafion N 117 membrane.
  • Example 3 Reduction of 1-butyn-1-ol: The cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute run-in phase, butyn-1-ol (32 ⁇ , 0.43 mmol) was added to the electrolyte. The imple ⁇ Zung Butin-l-ol to crotyl alcohol was complete. The initial current efficiency is over 90%. Despite a used equivalent charge of 4.8 F / mol (2 F / mol required), no overreduction to n-butanol was observed.
  • the cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute break-in period were
  • Fumaric acid (58.7 mg, 0.51 mmol) and KOH (200 ⁇ M 5M, lmmol) were added.
  • Acetylene, propargyl alcohol and 2-butyne-l-ol were evaluated as Substra ⁇ te. None of the 3 substrates is considered to be activated, which underlines the high activity of the catalytic process. Propargyl alcohol and 2-butyn-1-ol are known as to consider difficult substrates, since both carry electron-donating ⁇ substituents. In addition, 2-butyn-1-ol is an internal alkyne that is also sterically hindered. The alkyne hydrogenation described here can be used in addition to
  • high-volume compounds are also used for the electro-organic synthesis of specialty chemicals such as drugs or feed additives.

Abstract

The invention relates to a method for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of chemical formula (I) to alkenes, (I) wherein R and R' are selected from inorganic and/or organic residues, wherein the compound of chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode. The invention further relates to the use of a copper-containing electrode for such partial electrochemical hydrogenation and to a device for performing the method.

Description

Beschreibung description
Selektive elektrochemische Hydrierung von Alkinen zu Alkenen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiel¬ len elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, Selective electrochemical hydrogenation of alkynes to alkenes The present invention relates to a process for partiel ¬ len electrochemical hydrogenation of alkynes by the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, where R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals,
wobei die Verbindung der chemischen Formel (I) an einer kup- ferhaltigen Elektrode hydriert wird, die Verwendung einer kupferhaltigen Elektrode für eine solche partielle elektro- chemischen Hydrierung, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. wherein the compound of the chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode, the use of a copper-containing electrode for such a partial electrochemical hydrogenation, and an apparatus for carrying out the method.
Die Herstellung von Alkenen wie Ethen oder Propen erfolgt derzeit hauptsächlich durch die katalytische Spaltung vonThe production of alkenes such as ethene or propene currently takes place mainly through the catalytic cleavage of
Rohöl (Naphta) . Ein alternativer Ansatz stellt die partielle Hydrierung von Alkinen (z.B. Ethin) dar. Diese können auch beispielsweise aus Kohle oder Carbiden dargestellt werden und sind damit nicht auf Rohöl angewiesen. Bei der klassischen Hydrierung treten allerdings Selektivitätsprobleme auf. Häu¬ fig findet eine Überreduktion zum Alkan statt. Der für die Hydrierung nötige Wasserstoff wird derzeit zudem aus Kohle¬ vergasung oder Dampfreformierung gewonnen und ist damit ebenfalls eng mit der Erdölförderung verknüpft. Crude oil (Naphta). An alternative approach is the partial hydrogenation of alkynes (eg ethyne). These can also be represented for example from coal or carbides and are therefore not dependent on crude oil. In classical hydrogenation, however, selectivity problems occur. Frequently, ¬ fig over-reduction to the alkane take place. The necessary for the hydrogenation, hydrogen is also currently derived from coal gasification or steam reforming ¬ and is therefore also associated with oil production.
Die katalytische Hydrierung von Alkinen wurde bisher durch spezielle vergiftete Edelmetallkatalysatoren erreicht. Ein Beispiel hierfür ist der Lindlar-Katalysator, der einen mit Blei und Chinolin vergifteten Palladium Katalysator dar- stellt. Eine andere Möglichkeit stellt die „Birch-analoge Re- duktion" dar, bei der mit einer Lösung von Alkali-Metallen in flüssigem Ammoniak gearbeitet wird. Letzteres Verfahren ist sehr teuer, aber selektiv für E-alkene. Neue Ansätze zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus z.B. Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid ergeben sich im Rahmen der Elektrifizierung der chemischen Industrie. The catalytic hydrogenation of alkynes has been achieved by special poisoned noble metal catalysts. An example of this is the Lindlar catalyst, which is a palladium catalyst poisoned with lead and quinoline. Another possibility is the "Birch analogue" The latter process is very expensive, but selective for E-alkenes, and new approaches to the production of hydrocarbons from, for example, carbon dioxide or carbon monoxide are emerging as part of the electrification of the chemical industry.
Elektrifizierung der chemischen Industrie bedeutet hierbei, Prozesse, die bisher durch klassische thermische Verfahren durchgeführt werden oder bisher nicht möglich sind, elektro¬ chemisch durchzuführen. Electrification of the chemical industry means here, processes that are currently carried out by classical thermal processes or have not been possible to perform electro ¬ chemically.
So ist beispielsweise auch die elektrochemische Hydrierung von Ethin nach Ethen bekannt aus X. Song, H. Du, Z. Liang, Z. Zhu, D. Duan, S. Liu, Int. J. Electrochem. Sei., 2013, 8,For example, the electrochemical hydrogenation of ethyne to ethene is known from X. Song, H. Du, Z. Liang, Z. Zhu, D. Duan, S. Liu, Int. J. Electrochem. Sei., 2013, 8,
6566-6573. Die Autoren verwenden hier allerdings ausschlie߬ lich Elektroden aus dem Edelmetall Palladium, und die Substratauswahl ist zudem auf Ethin begrenzt. From 6566 to 6573. However, the authors use here exclu ¬ Lich electrodes made of the precious metal palladium, and the substrate selection is also limited to ethyne.
Es besteht somit ein Bedarf an einfachen und leicht zugänglichen Verfahren zur Herstellung von Alkenen aus Alkinen, welche bevorzugt ohne teure Edelmetalle ablaufen. Die Erfinder haben herausgefunden, dass eine partielle Reduktion von Alkinen durch ein elektrochemisches Verfahren unter Verwendung einer Cu-Elektrode in wasserbasierten Elektrolyten durchgeführt werden kann. Die Elektrode kann hierbei sowohl als solide Elektrode als auch als Gasdiffusionselektrode aus- geführt sein. Durch die bessere Substratverfügbarkeit für Al¬ kine ist letztere besonders geeignet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt hierbei eine hohe Selektivität und Aktivität, selbst bei nicht aktivierten Alkinen und bei schwierigen Substraten mit elektronenschiebenden Gruppen und/oder sterischer Hinderung. In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, There is thus a need for simple and easily accessible processes for the preparation of alkynes from alkynes, which preferably take place without expensive noble metals. The inventors have found that partial reduction of alkynes can be performed by an electrochemical method using a Cu electrode in water-based electrolytes. In this case, the electrode can be designed both as a solid electrode and as a gas diffusion electrode. Due to the better substrate availability for Al ¬ kine the latter is particularly suitable. The process according to the invention shows a high selectivity and activity, even for non-activated alkynes and for difficult substrates with electron-donating groups and / or steric hindrance. In a first aspect, the present invention relates to a process for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, wobei die Verbindung der chemischen Formel (I) an einer kup- ferhaltigen Elektrode hydriert wird. wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals, wherein the compound of the chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode.
Darüber hinaus ist in einem weiteren Aspekt die Verwendung einer kupferhaltigen Elektrode zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen offenbart, In addition, in a further aspect, the use of a copper-containing electrode for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes is disclosed,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten. wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
Zudem ist in noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen offenbart, In addition, in yet another aspect of the present invention, an apparatus for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes is disclosed,
wobei R und Rx ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, umfassend : wherein R and R x are selected from inorganic and / or organic radicals, comprising:
eine Elektrolysezelle (1) umfassend eine kupferhaltige Elekt¬ rode, die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen For¬ mel (I) zu Alken zu reduzieren; An electrolysis cell (1) comprising a copper-containing Elect ¬ rode, which is adapted to the alkyne to reduce the chemical ¬ For mel (I) to alkene;
eine Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) (3), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen Formel (I) be- reitzustellen; und a source of the alkyne of the chemical formula (I) (3), which is designed to provide the alkyne of the chemical formula (I); and
eine erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemi¬ schen Formel (I) von der Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) der Elektrolysezelle zuzuführen. a first feed means (2) for the alkyne of the chemical formula (I), which is adapted to supply the alkyne of chemi ¬'s formula (I) from the source of the alkyne of chemical formula (I) of the electrolytic cell.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung zu entnehmen . Die beiliegenden Zeichnungen sollen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen und ein weiteres Verständnis dieser vermitteln. Im Zusammenhang mit der Beschreibung dienen sie der Erklärung von Konzepten und Prinzipien der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genann- ten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Further aspects of the present invention can be found in the dependent claims and the detailed description. The accompanying drawings are intended to illustrate embodiments of the present invention and to provide a further understanding thereof. In the context of the description, they serve to explain concepts and principles of the invention. Other embodiments and many of the advantages mentioned will become apparent with reference to the drawings.
Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise ma߬ stabsgetreu zueinander dargestellt. Gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten sind in den Figuren der Zeichnungen, sofern nichts anderes ausgeführt ist, jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. The elements of the drawings are not necessarily to measure ¬ scale shown to each other. Identical, functionally identical and identically acting elements, features and components are in the figures of the drawings, unless otherwise stated, each provided with the same reference numerals.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung. Figure 1 shows a schematic representation of the erfindungsge ¬ MAESSEN device.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen offenbart, In a first aspect of the present invention, a process for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes is disclosed,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, where R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals,
wobei die Verbindung der chemischen Formel (I) an einer kup- ferhaltigen Elektrode hydriert wird. wherein the compound of the chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode.
Als Alkine werden alle chemischen Verbindungen bezeichnet, die eine Dreifachbindung zwischen 2 Kohlenstoffatomen aufweisen. Das Verfahren ist also nicht auf Ethin begrenzt, sondern kann auf andere Alkine angewandt werden. Alkynes are all chemical compounds which have a triple bond between 2 carbon atoms. The method is therefore not limited to ethyne but can be applied to other alkynes.
Ein generelles Schema der elektrochemischen Umsetzung von Alkinen der chemischen Formel I ist hierbei wie folgt: A general scheme of the electrochemical reaction of alkynes of the chemical formula I is as follows:
R" ynerwünscht Ynerwünscht R "
All in Alken Aikan wobei es sich anstelle der dargestellten H+ Ionen auch um beispielsweise D+ Ionen handeln kann. All in Alken Aikan, where instead of the H + ions shown, it can also be D + ions, for example.
Die gute Selektivität kommt hierbei durch die geringe The good selectivity comes from the low
Reaktivität der entstehenden Alkene gegenüber der Elektrohyd- rierung mit Cu-Elektroden zustande. Insbesondere elektronisch deaktivierte interne Alkene wie Crotylalkohol (trans-2- Butenol) zeigten sich inert gegenüber Überreduktion. Die kupferhaltige Elektrode ist nicht besonders beschränkt und kann Kupfer neben anderen Bestandteilen, z.B. anderen Metallen und/oder Keramiken als Substrat umfassen, aber auch aus Kupfer bestehen. Auch kann sie chemisch behandelt sein, beispielsweise zur Oxidbildung. Ebenso kann sie als solide Elektrode oder als Gasdiffusionselektrode ausgebildet sein. Durch die bessere Substratverfügbarkeit für Alkine ist letz- tere, also die Gasdiffusionselektrode besonders geeignet, insbesondere für gasförmige Alkine wie Ethin, Propin, 1-Butin oder 2-Butin. Im Gegensatz zu Palladium-Elektroden sind die vorliegenden kupferhaltigen Elektroden viel kostengünstiger. Reactivity of the resulting alkenes over the Elektrohyd- ration with Cu electrodes. In particular, electronically deactivated internal alkenes such as crotyl alcohol (trans-2-butenol) were inert to overreduction. The copper-containing electrode is not particularly limited and may include copper in addition to other components such as other metals and / or ceramics as a substrate, but may also be made of copper. It may also be chemically treated, for example for oxide formation. Likewise, it may be formed as a solid electrode or as a gas diffusion electrode. The better substrate availability for alkynes means that Tere, so the gas diffusion electrode particularly suitable, in particular for gaseous alkynes such as ethyne, propyne, 1-butyne or 2-butyne. Unlike palladium electrodes, the present copper-containing electrodes are much less expensive.
Beispielsweise kann eine erfindungsgemäße kupferhaltige For example, a copper-containing
Elektrode erhalten werden, indem eine Schicht umfassend einen Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator auf ein Nicht-Kupfer-Substrat abgeschieden wird, wie in der DE 10 2015 203 245 beschrieben, oder aber auch, indem die Schicht auf ein Kupfer-Substrat ab¬ geschieden wird. Electrode can be obtained by a layer comprising a Cu + / Cu-containing catalyst is deposited on a non-copper substrate, as described in DE 10 2015 203 245, or else by the layer on a copper substrate from ¬ divorced.
Der Cu+/Cu-enthaltende Katalysator wird nachfolgend auch als Kupfer/Kupferionen-Katalysator, Kupferkatalysator oder ähnli- ches bzw. auch einfach als Katalysator bezeichnet, so sich nicht aus dem Text etwas anderes ergibt, so dass diese Be¬ griffe im Rahmen der vorliegenden Erfindung synonym zu verstehen sind. Ebenso wird das Nicht-Kupfer-Substrat auch einfach als Sub¬ strat bezeichnet, so sich nicht aus dem Text etwas anderes ergibt . The Cu + / Cu-containing catalyst is also referred to below as a copper / copper ion catalyst, copper catalyst or the like or simply as a catalyst, if not otherwise stated in the text, so these Be ¬ handles in the context of to understand the present invention synonymous. Likewise, the non-copper substrate is also referred to simply as Sub ¬ strat, so does not result from the text otherwise.
Hierbei ist nicht ausgeschlossen, dass das Nicht-Kupfer- Substrat Kupfer enthält, solange es nicht im Wesentlichen aus Kupfer besteht. So kann das Substrat beispielsweise auch aus Messing bestehen oder Messing umfassen. So umfasst das NichtKupfer-Substrat beispielsweise weniger als 60 Gew.% Kupfer, bezogen aus das Gesamtgewicht des Substrats, bevorzugt weni- ger als 50 Gew.%, weiter bevorzugt weniger als 40 Gew.% und besonders bevorzugt weniger als 20 Gew.% Kupfer, beispiels¬ weise kein Kupfer. It is not excluded that the non-copper substrate contains copper, as long as it does not consist essentially of copper. For example, the substrate can also be made of brass or brass. For example, the non-copper substrate comprises less than 60% by weight of copper, based on the total weight of the substrate, preferably less than 50% by weight, more preferably less than 40% by weight and particularly preferably less than 20% by weight of copper , example ¬ as no copper.
Es können bei der Herstellung einer solchen Elektrode insbe- sondere alle leitfähigen Substrate genutzt werden. Beispiels¬ weise umfasst das Substrat mindestens ein Metall wie Silber, Gold, Platin, Nickel, Blei, Titan, Nickel, Eisen, Mangan, oder Chrom oder deren Legierungen wie Edelstähle, und/oder mindestens ein Nicht-Metall wie Kohlenstoff, Si, Bornitrid (BN), Bor-dotierten Diamant, etc., und/oder mindestens ein leitfähiges Oxid wie Indiumzinnoxid ( ITO) , Aluminiumzinkoxid (AZO) oder fluoriertes Zinnoxid (FTO) , beispielsweise zur Herstellung von Photoelektroden, und/oder mindestens ein Polymer basierend auf Polyacetylen, Polyethoxythiophen, Polyanilin oder Polypyrrol zur Herstellung polymerbasierter Elektroden . Die Herstellung des CuVCu-enthaltenden Katalysators kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen und ist nicht besonders beschränkt, wobei die verschiedenen Herstellungsverfahren des CuVCu-enthaltenden Katalysators auch auf Kupfer-Substraten erfolgen können. In particular, all conductive substrates can be used in the production of such an electrode. Example ¬, the substrate comprises at least one metal such as silver, gold, platinum, nickel, lead, titanium, nickel, iron, manganese, or chromium or their alloys such as stainless steels, and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped diamond, etc., and / or at least one conductive oxide such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), or fluorinated tin oxide (FTO), for example for manufacturing of photoelectrodes, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole for the preparation of polymer-based electrodes. The preparation of the CuVCu-containing catalyst can be carried out in various manners and is not particularly limited, and the various preparation processes of the CuVCu-containing catalyst can also be carried out on copper substrates.
Beispielsweise können Elektroreduktionskatalysatoren erhalten werden, wenn der Katalysator in-situ auf dem Elektrodensubstrat abgeschieden wird. Eine ex-situ Abscheidung ist aber erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen. Das Substrat muss hier- bei nicht unbedingt Kupfer umfassen bzw. Kupfer sein, sondern kann jedes leitfähige Material, insbesondere auch leitfähige Oxide beinhalten. Besonders bevorzugt sind die porösen Ausge¬ staltungen einer solchen Elektrode, um Gasdiffusionselektro¬ den zu erhalten. For example, electro-reduction catalysts can be obtained when the catalyst is deposited in-situ on the electrode substrate. However, ex-situ deposition is not excluded according to the invention. The substrate here does not necessarily have to comprise copper or be copper, but may contain any conductive material, in particular also conductive oxides. Particularly preferably, the porous Substituted ¬ staltungen of such an electrode in order to obtain gas diffusion electric ¬ are.
Eine Ladungskompensation im Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator kann durch Einlagerung von in Lösung befindlichen Anionen bei der Herstellung erfolgen, beispielsweise Hydroxidionen (OH~) , 02~, Halogenidionen (Halogen-) , beispielsweise Fluorid, Chlo- rid, Bromid, Iodid, Sulfat, Hydrogencarbonat , Carbonat oder Phosphate etc. Charge compensation in the Cu + / Cu-containing catalyst can take place by incorporation of anions in solution during production, for example hydroxide ions (OH - ), O 2 - , halide ions (halogen), for example fluoride, chloride, bromide, iodide, Sulfate, bicarbonate, carbonate or phosphates etc.
Die Kupfer umfassende Schicht kann auch aus einer Lösung umfassend Kupferionen auf der Oberfläche der Elektrode abge- schieden werden. Bei der Beschichtung können gemäß bestimmten Ausführungsformen aus Lösung dendritische Strukturen aufgebracht werden, wobei hier keine vollständige Beschichtung des Substrats erzielt werden muss, d.h. auch noch Teile des Sub- strats sichtbar sein können. Die Beschichtung des Substrats, wie auch die Strukturen des Katalysators, kann hierbei bei¬ spielsweise mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) analysiert werden. The copper-comprising layer can also be deposited from a solution comprising copper ions on the surface of the electrode. In accordance with certain embodiments, dendritic structures can be applied from solution in the coating, in which case no complete coating of the substrate has to be achieved, that is to say parts of the substrate are also removed. Strats can be visible. The coating of the substrate, as well as the structures of the catalyst, may in this case at ¬ play, by means of scanning electron microscopy (SEM) or transmission electron microscopy (TEM) to be analyzed.
In den Elektroden wird das Substrat nicht unbedingt vollstän¬ dig durch die Beschichtung bedeckt. Hierbei kann die Bede¬ ckung der Beschichtung als Fläche beispielsweise 10 bis 99, 9% betragen, bezogen auf die Fläche des Substrats, bevorzugt 50 bis 95%, weiter bevorzugt 70 bis 90%. Beispielsweise wird das Substrat nur derart bedeckt, dass das Wachstum des Katalysa¬ tors dendritisch erfolgt. In the electrode, the substrate is not necessarily completeness, ¬ dig covered by the coating. Here, the Bede ¬ ckung the coating as a surface, for example, be 10 to 99, 9%, relative to the surface of the substrate, preferably 50 to 95%, more preferably 70 to 90%. For example, the substrate is only covered in such a way that the growth of the Katalysa ¬ tors carried dendritic.
Es können kristalline mikro- bis nanoporöse Systeme für den Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator und/oder solche mit besonders hoher Oberfläche von beispielsweise mehr als 100 m2/g, bevor¬ zugt von gleich oder mehr als 500 m2/g, weiter bevorzugt von gleich oder mehr als 1000 m2/g erhalten werden, wobei ein Zusatz von Substanzen wie Glanzbildnern nicht ausgeschlossen ist. Der CuVCu-enthaltende Katalysator kann hierbei Poren in einer Größe von 10 nm bis 100 ym aufweisen, bevorzugt von 50 nm bis 50 ym, weiter bevorzugt von 100 nm bis 10 ym. Auch kann der Cu+/Cu-enthaltende Katalysator dendritische Struktu¬ ren mit Feinstruktur, beispielsweise dem Abstand zwischen zwei Dendriten, mit einer Größe von 1 bis 100 nm aufweisen, bevorzugt 2 bis 20 nm, weiter bevorzugt 3 bis 10 nm. Die Be¬ schichtung ist somit beispielsweise porös. Der Cu+/Cu-enthal- tende Katalysator kann zu mindestens 40 Gew.% kristallin sein, bezogen auf den Katalysator, weiter bevorzugt zu mindestens 70 Gew.%, besonders bevorzugt zu mindestens 80 Gew.%, wobei der Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator und/oder die Beschichtung kristallin sein kann. It can crystalline micro- to nanoporous systems for the Cu + / Cu-containing catalyst and / or those with a particularly high surface area, for example, more than 100 m 2 / g, preferably ¬ equal to or more than 500 m 2 / g, on preferably equal to or more than 1000 m 2 / g are obtained, wherein an addition of substances such as brighteners is not excluded. The CuVCu-containing catalyst in this case may have pores in a size of 10 nm to 100 ym, preferably from 50 nm to 50 ym, more preferably from 100 nm to 10 ym. Also, the Cu catalyst Cu-containing + / can dendritic struc ¬ ren with fine structure, for example the distance between two dendrites which have a size of 1 to 100 nm preferably from 2 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm. The Be ¬ For example, layering is porous. The Cu + / Cu-containing catalyst may be at least 40 wt.% Crystalline, based on the catalyst, more preferably at least 70 wt.%, Particularly preferably at least 80 wt.%, Where the Cu + / Cu containing catalyst and / or the coating may be crystalline.
Das Substrat kann porös sein, beispielsweise um Gasdiffusi- onselektroden herstellen zu können. Das Substrat kann Poren in einer Größe von 10 nm bis 100 ym aufweisen, bevorzugt von 50 nm bis 50 ym, weiter bevorzugt von 100 nm bis 10 ym. Durch die poröse Ausgestaltung des Nicht-Kupfer-Substrats, oder auch eines Kupfer-Substrats, wie beispielsweise einer Gasdif¬ fusionselektrode, kann ein guter Transport eines gasförmigen Alkins zum Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator gewährleistet werden und die Effizienz bei der Elektrolyse weiter verbessert werden. Insbesondere kann durch eine geeignete Porengröße ei¬ ne gezielte Hinführung zu bestimmten Abschnitten des Katalysators gewährleistet werden. The substrate can be porous, for example in order to be able to produce gas diffusion electrodes. The substrate may have pores in a size of 10 nm to 100 ym, preferably from 50 nm to 50 ym, more preferably from 100 nm to 10 ym. Due to the porous design of the non-copper substrate, or Also, a copper substrate, such as a Gasdif ¬ fusion electrode, a good transport of a gaseous alkyne for Cu + / Cu-containing catalyst can be ensured and the efficiency of the electrolysis can be further improved. In particular, it can be ensured by a suitable pore size ei ¬ ne targeted guidance to certain sections of the catalyst.
Die Konzentration von Cu+ in der porösen Kupferkatalysator- schicht / der Beschichtung umfassend den Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator ist beispielsweise größer als 1 Mol%, bevorzugt größer als 5 Mol%, weiter bevorzugt mehr als 10 Mol%, beson¬ ders bevorzugt größer als 20 Mol%, und beispielsweise bis zu 99,9 Mol%, bezogen auf die Beschichtung. The concentration of Cu + in the porous copper catalyst layer / the coating comprising the catalyst Cu + / Cu-containing, for example, greater than 1 mol%, preferably greater than 5 mole%, more preferably more than 10 mol%, particular ¬ DERS preferably greater than 20 mole%, and for example up to 99.9 mole%, based on the coating.
In der kupferhaltigen Elektrode kann das Substrat porös sein. Das Substrat kann hierbei Poren in einer Größe von 10 nm bis 100 ym aufweisen, bevorzugt von 50 nm bis 50 ym, weiter bevorzugt von 100 nm bis 10 ym. Dies ist beispielsweise der Fall für bevorzugte Ausführungsformen, in denen die Elektrode eine Gasdiffusionselektrode ist. In the copper-containing electrode, the substrate may be porous. The substrate may in this case have pores in a size of 10 nm to 100 μm, preferably from 50 nm to 50 μm, more preferably from 100 nm to 10 μm. This is for example the case for preferred embodiments in which the electrode is a gas diffusion electrode.
Das Substrat umfasst in der kupferhaltigen Elektrode bei¬ spielsweise mindestens ein Metall wie Silber, Platin, Nickel, Blei, Titan, Nickel, Eisen, Mangan oder Chrom oder deren Legierungen wie Edelstähle, und/oder mindestens ein Nicht- Metall wie Kohlenstoff, Si, Bornitrid (BN) , Bor-dotierten Di¬ amant, etc., und/oder mindestens ein leitfähiges Oxid wie Indiumzinnoxid ( ITO) , Aluminiumzinkoxid (AZO) oder fluoriertes Zinnoxid (FTO) - beispielsweise zur Herstellung von Photo¬ elektroden, und/oder mindestens ein Polymer basierend auf Polyacetylen, Polyethoxythiophen, Polyanilin oder Polypyrrol, wie beispielsweise in polymerbasierten Elektroden. Auch Kupferlegierungen oder Mischungen der genannten Materialen mit Kupfer wie auch Substrate aus Kupfer oder Kupferoxid sind möglich . Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Beschichtung zumindest teilweise kristallin. Gemäß bestimmten Ausführungs¬ formen ist der Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator zu mindestens 40 Gew.% kristallin, bezogen auf den Katalysator, weiter be- vorzugt zu mindestens 70 Gew.%, besonders bevorzugt zu min¬ destens 80 Gew.%. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist der Cu+/Cu-enthaltenden Katalysator und/oder die Beschichtung kristallin . Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die Beschichtung der kupferhaltigen Elektrode mikro- bis nanoporös und/oder weist eine besonders hohe Oberfläche von beispielsweise mehr als 500 m2/g, bevorzugt von gleich oder mehr als 800 m2/g, weiter bevorzugt von gleich oder mehr als 1000 m2/g auf. Gemäß be- stimmten Ausführungsformen ist somit die Beschichtung porös. Der Cu+/Cu-enthaltende Katalysator kann Poren in einer Größe von 10 nm bis 100 ym aufweisen, bevorzugt von 50 nm bis 50 ym, weiter bevorzugt von 100 nm bis 10 ym. Auch kann der Cu+/Cu-enthaltende Katalysator dendritische Strukturen mit Feinstruktur, beispielsweise dem Abstand zwischen zwei Dend¬ riten, mit einer Größe von 1 bis 100 nm aufweisen, bevorzugt 2 bis 20 nm, weiter bevorzugt 3 bis 10 nm. In the copper-containing electrode at ¬ the substrate comprises playing at least one metal such as silver, platinum, nickel, lead, titanium, nickel, iron, manganese or chromium or their alloys such as stainless steels, and / or at least one non-metal such as carbon, Si, boron nitride (BN), boron-doped Di ¬ amant, etc., and / or at least one conductive oxide, such as indium tin oxide (ITO), aluminum zinc oxide (AZO), or fluorinated tin oxide (FTO) - for example for the production of photo ¬ electrode, and / or at least one polymer based on polyacetylene, polyethoxythiophene, polyaniline or polypyrrole, such as in polymer-based electrodes. Also, copper alloys or mixtures of said materials with copper as well as substrates of copper or copper oxide are possible. According to certain embodiments, the coating is at least partially crystalline. According to certain forms of execution ¬ catalyst Cu + / Cu-containing by weight is at least 40.% Crystalline, based on the catalyst, more preferably at least 70 wt.%, Particularly preferably at least 80 min ¬ wt.%. According to certain embodiments, the Cu + / Cu-containing catalyst and / or the coating is crystalline. According to certain embodiments, the coating of the copper-containing electrode is microporous to nanoporous and / or has a particularly high surface area of, for example, more than 500 m 2 / g, preferably equal to or greater than 800 m 2 / g, more preferably equal to or greater than 1000 m 2 / g. According to certain embodiments, the coating is therefore porous. The Cu + / Cu-containing catalyst may have pores in a size of 10 nm to 100 μm, preferably from 50 nm to 50 μm, more preferably from 100 nm to 10 μm. Also, the catalyst Cu + / Cu-containing can dendritic structures with a fine structure, for example the distance between two Dend ¬ rites, having a size of 1 to 100 nm, preferably 2 to 20 nm, more preferably 3 to 10 nm.
Die Konzentration von Cu+ in der porösen Kupferkatalysator- schicht ist beispielsweise größer als 1 Mol%, bevorzugt grö¬ ßer als 5 Mol%, weiter bevorzugt mehr als 10 Mol%, besonders bevorzugt größer als 20 Mol%, und bis zu 99, 9 Mol%, bezogen auf die Beschichtung. Die Bedeckung der Beschichtung als Fläche in der kupferhalti- gen Elektrode kann beispielsweise 10 bis 99, 9% betragen, be¬ zogen auf die Fläche des Substrats, bevorzugt 50 bis 95%, weiter bevorzugt 70 bis 90%. Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird das Substrat derart bedeckt, dass das Wachstum des Katalysators dendritisch erfolgt. The concentration of Cu + layer in the porous copper catalyst is, for example, greater than 1 mol%, preferably RESIZE ¬ SSER than 5 mol%, more preferably more than 10 mol%, particularly preferably greater than 20 mole%, and up to 99, 9 Mol%, based on the coating. The coverage of the coating as a surface in the kupferhalti- gen electrode may, for example, 10 to 99, amounted to 9%, ¬ be attracted to the surface of the substrate, preferably 50 to 95%, more preferably 70 to 90%. According to certain embodiments, the substrate is covered such that the growth of the catalyst is dendritic.
Alternativ oder zusätzlich kommen bei Ausbildung der kupfer- haltigen Elektrode als Gasdiffusionselektrode (GDE) die fol- genden Merkmale in Betracht, wie für die in 102015215309.6 beschriebene Gasdiffusionselektrode . Alternatively or additionally, when the copper-containing electrode is formed as the gas diffusion electrode (GDE), the following Suitable features, such as for the gas diffusion electrode described in 102015215309.6.
Eine Gasdiffusionselektrode als kupferhaltige Elektrode um- fasst beispielsweise einen, bevorzugt kupferhaltigen, Träger, bevorzugt in Form eines Flächengebildes, und eine erste A gas diffusion electrode as a copper-containing electrode comprises, for example, a preferably copper-containing carrier, preferably in the form of a sheet, and a first
Schicht umfassend zumindest Kupfer und mindestens einen Bin¬ der, wobei die (erste) Schicht hydrophile und hydrophobe Po¬ ren und/oder Kanäle umfasst, weiter umfassend eine zweite Schicht umfassend Kupfer und mindestens einen Binder, wobei die zweite Schicht sich auf dem Träger befindet und die erste Schicht auf der zweiten Schicht, wobei der Gehalt an Binder in der ersten Schicht kleiner ist als in der zweiten Schicht. Als hydrophob wird hierbei wasserabweisend verstanden. Hydro¬ phobe Poren und/oder Kanäle sind also solche, welche Wasser abweisen. Insbesondere sind hydrophoben Eigenschaften mit Stoffen bzw. Molekülen mit unpolaren Gruppen assoziiert. Als hydrophil wird im Gegensatz hierzu die Fähigkeit zurLayer comprising at least copper and at least one Bin ¬ , wherein the (first) layer hydrophilic and hydrophobic Po ¬ ren and / or channels comprises, further comprising a second layer comprising copper and at least one binder, wherein the second layer is on the support and the first layer on the second layer, wherein the content of binder in the first layer is smaller than in the second layer. As hydrophobic water repellent is understood here. Hydro ¬ phobic pores and / or channels are thus those which reject water. In particular, hydrophobic properties are associated with substances or molecules with nonpolar groups. In contrast, the ability to
Wechselwirkung mit Wasser und anderen polaren Stoffen verstanden . Interaction with water and other polar substances understood.
Die zweite Schicht kann, ebenso wie die erste Schicht, hydro- phile und/oder hydrophobe Poren und/oder Kanäle umfassen. The second layer, like the first layer, may comprise hydrophilic and / or hydrophobic pores and / or channels.
Beschrieben ist auch eine Gasdiffusionselektrode, umfassend einen, bevorzugt kupferhaltigen, Träger, bevorzugt in Form eines Flächengebildes, und Also described is a gas diffusion electrode, comprising a, preferably copper-containing, carrier, preferably in the form of a sheet, and
eine erste Schicht umfassend zumindest Kupfer und mindestens einen Binder, wobei die Schicht hydrophile und hydrophobe Po¬ ren und/oder Kanäle umfasst. a first layer comprising at least copper and at least one binder, the layer comprising hydrophilic and hydrophobic polymers and / or channels.
Die hydrophilen und hydrophoben Bereichen der GDE können eine gute Dreiphasenbeziehung flüssig, fest, gasförmig erzielen. Es finden sich beispielsweise in der Elektrode auf Elektro¬ lytseite hydrophobe Kanäle bzw. Bereiche und hydrophile Kanä¬ le bzw. Bereiche, wobei sich in den hydrophilen Bereichen Ka- talysatorzentren geringer Aktivität befinden. Des Weiteren befinden sich inaktive Katalysatorzentren auf Seiten des Gases. Besonders aktive Katalysatorzentren liegen im Dreipha¬ sengebiet flüssig, fest, gasförmig. Eine ideale GDE weist so- mit eine maximale Durchdringung des Bulkmaterials mit hydro¬ philen und hydrophoben Kanälen auf, um möglichst viele Drei¬ phasengebiete für aktive Katalysatorzentren zu erhalten. Insofern ist bevorzugt sicherzustellen, dass die erste Schicht hydrophile und hydrophobe Poren und/oder Kanäle umfasst. The hydrophilic and hydrophobic regions of the GDE can achieve a good three-phase relationship liquid, solid, gaseous. It can be found for example in the electrode to electric ¬ lytseite hydrophobic channels or areas and hydrophilic Kanae ¬ le or areas, wherein in the hydrophilic regions Ka low activity catalysts. Furthermore, inactive catalyst sites are located on the gas side. Particularly active centers are in Dreipha ¬ sengebiet liquid, solid, gaseous. An ideal GDE has so-on with a maximum penetration of the bulk material with hydro ¬ hydrophilic and hydrophobic channels to get as many three-phase ¬ areas for active centers. In this respect, it is preferable to ensure that the first layer comprises hydrophilic and hydrophobic pores and / or channels.
Durch geeignete Einstellung der ersten Schicht kann erzielt werden, dass möglichst viele aktive Katalysatorzentren in der Gasdiffusionselektrode vorhanden sind. By suitable adjustment of the first layer can be achieved that as many active catalyst centers are present in the gas diffusion electrode.
Der Träger ist wie oben nicht besonders beschränkt, insofern er für eine Gasdiffusionselektrode geeignet ist und bevorzugt kupferhaltig ist. Beispielsweise können auch parallele Drähte im Extremfall einen Träger bilden. Beispielsweise ist der Träger ein Flächengebilde, weiter bevorzugt ein Netz, ganz bevorzugt ein Kupfernetz. Hierdurch können sowohl eine ausreichende mechanische Stabilität wie auch Funktionalität als Gasdiffusionselektrode, beispielsweise im Hinblick auf eine hohe elektrische Leitfähigkeit sichergestellt werden. Durch die Verwendung von Kupfer im Träger kann eine geeignete Leitfähigkeit bereitgestellt und die Gefahr einer Einschleppung unerwünschter Fremdmetalle vermindert werden. Gemäß bevorzug¬ ten Ausführungsformen besteht der Träger daher aus Kupfer. Ein bevorzugter kupferhaltige Träger ist gemäß bestimmten Ausführungsformen ein Kupfernetz mit einer Maschenweite w von 0,3 mm < w < 2,0 mm, bevorzugt 0,5 mm < w < 1,4 mm und einem Drahtdurchmesser x von 0,05 mm < x < 0,5 mm, bevorzug 0,1 mm ^ x ^ 0,25 mm . The carrier is not particularly limited as above, insofar as it is suitable for a gas diffusion electrode and is preferably copper-containing. For example, parallel wires can form a carrier in extreme cases. For example, the carrier is a sheet, more preferably a mesh, most preferably a copper mesh. As a result, both a sufficient mechanical stability and functionality as a gas diffusion electrode, for example, with regard to a high electrical conductivity can be ensured. The use of copper in the carrier can provide suitable conductivity and reduce the risk of introducing unwanted foreign metals. According Favor ¬ th embodiments, therefore, the carrier consists of copper. A preferred copper-containing carrier is, according to certain embodiments, a copper mesh with a mesh width w of 0.3 mm <w <2.0 mm, preferably 0.5 mm <w <1.4 mm and a wire diameter x of 0.05 mm <x <0.5 mm, Favor 0.1 mm ^ x ^ 0.25 mm.
Zudem kann dadurch, dass die erste Schicht Kupfer umfasst, auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Katalysators so- wie, insbesondere in Verbindung mit einem Kupfernetz, eine homogene Potentialverteilung über die gesamte Elektrodenflä¬ che (potentialabhängige Produktselektivität) sichergestellt werden . Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst der Binder ein Polymer, beispielsweise ein hydrophiles und/oder hydrophobes Polymer, beispielsweise ein hydrophobes Polymer, insbesondere PTFE. Hierdurch kann eine geeignete Einstellung der hydrophoben Poren bzw. Kanäle erzielt werden. Insbesondere werden zur Herstellung der ersten Schicht PTFE Partikel mit einem In addition, by making the first layer comprises copper, and a high electrical conductivity of the catalyst so-like, in particular in conjunction with a copper grid, a homogeneous potential distribution across the entire surface Elektrodenflä ¬ (potential-dependent product selectivity) can be ensured. According to certain embodiments, the binder comprises a polymer, for example a hydrophilic and / or hydrophobic polymer, for example a hydrophobic polymer, in particular PTFE. In this way, a suitable adjustment of the hydrophobic pores or channels can be achieved. In particular, to produce the first layer of PTFE particles with a
Partikeldurchmesser zwischen 5 und 95 ym, bevorzugt zwischen 8 und 70 ym verwendet. Geeignete PTFE Pulver umfassen bei- spielsweise Dyneon® TF 9205 und Dyneon TF 1750. Geeignete Binderpartikel, beispielsweise PTFE Partikel, können bei¬ spielsweise annähernd sphärisch sein, beispielsweise sphä¬ risch, und können beispielsweise durch Emulsionspolymerisati¬ on hergestellt werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die Binderpartikel frei von oberflächenaktiven Stoffen. Die Partikelgröße kann hierbei beispielsweise gemäß ISO 13321 oder D4894-98a bestimmt werden und kann beispielsweise den Herstellerangaben entsprechen (z.B. TF 9205 :mittlere Particle diameter between 5 and 95 ym, preferably used between 8 and 70 ym. Suitable PTFE powders include, for example, Dyneon® TF 9205 and Dyneon TF 1750. Suitable binder particles, for example, PTFE particles may at ¬ play, be approximately spherical, for example sphe ¬ driven, and can be prepared for example by Emulsionspolymerisati ¬ on. In certain embodiments, the binder particles are free of surfactants. The particle size can be determined, for example, according to ISO 13321 or D4894-98a and can correspond, for example, to the manufacturer's instructions (eg TF 9205: medium
Partikelgrö8e 8ym nach ISO 13321; TF 1750 :mittlere Particle size 8ym according to ISO 13321; TF 1750: medium
Partikelgrö8e 25ym nach ASTM D4894-98a) . Particle size 25ym according to ASTM D4894-98a).
Daneben umfasst die erste Schicht zumindest Kupfer, welches beispielsweise in Form von metallischem Kupfer und/oder Kupferoxid vorliegen kann und welches als Katalysatorzentrum fungiert. Hierbei enthält die erste Schicht bevorzugt metal¬ lisches Kupfer in der Oxidationsstufe 0. In addition, the first layer comprises at least copper, which may be present for example in the form of metallic copper and / or copper oxide and which acts as a catalyst center. Here, the first layer preferably contains metal ¬ metallic copper in the oxidation state 0th
Auch kann die erste Schicht beispielsweise Kupferoxid enthal¬ ten, insbesondere CU2O. Das Oxid kann hierbei dazu beitragen, die Oxidationszustände +1 des Kupfers zu stabilisieren und so die Selektivität für Ethylen langzeitstabil zu erhalten. Un¬ ter Elektrolysebedingungen kann es zu Kupfer reduziert werden . Beispielsweise umfasst die erste Schicht mindestens 40 At . %Also, the first layer may, for example, copper oxide contained ¬ th, in particular CU 2 O. The oxide can in this case contribute to stabilize the oxidation states of +1 of the copper and thus to obtain the selectivity for ethylene long-term stability. Under electrolysis conditions, it can be reduced to copper. For example, the first layer comprises at least 40 at. %
(Atomprozent), bevorzugt mindestens 50 At.%, weiter bevorzugt mindestens 60 At.% Kupfer, bezogen auf die Schicht. Daneben kann die erste Schicht auch weitere Promotoren ent¬ halten, die in Zusammenwirkung mit dem Kupfer die katalyti- sche Aktivität der GDE verbessern. Beispielsweise enthält die erste Schicht mindestens ein Metalloxid, bevorzugt ZrÜ2, AI2O3, CeÜ2, Ce2<03, ZnÜ2, MgO; und/oder mindestens eine kupfer¬ reiche intermetallische Phase, bevorzugt mindestens eine Cu- reiche Phase, die ausgewählt ist aus der Gruppe der binären Systeme Cu-Al, Cu-Zr, Cu-Y, Cu-Hf, CuCe, Cu-Mg und der ternä- re Systeme Cu-Y-Al, Cu-Hf-Al, Cu-Zr-Al, Cu-Al-Mg, Cu-Al-Ce mit Cu-Gehalten > 60 At.-%; und/oder kupferenthaltende (Atomic percent), preferably at least 50 at.%, More preferably at least 60 at.% Copper, based on the layer. In addition, the first layer may also hold other promoters ent ¬ which improve in cooperation with the copper, the specific catalytic activity of the GDE. For example, the first layer contains at least one metal oxide, preferably ZrÜ 2 , Al 2 O 3 , CeÜ 2 , Ce 2 ≦ 03, ZnÜ 2 , MgO; and / or at least one copper ¬ rich intermetallic phase, preferably at least a Cu-rich phase, which is selected from the group of binary systems Cu-Al, Cu-Zr, Cu-Y, Cu-Hf, Cucé, Cu-Mg and the ternary systems Cu-Y-Al, Cu-Hf-Al, Cu-Zr-Al, Cu-Al-Mg, Cu-Al-Ce with Cu contents> 60 at .-%; and / or copper-containing
Perowskite und/oder Defekt-Perowskite und/oder Perowskit- verwandte Verbindungen, bevorzugt YBa2Cu307-s, wobei Ο^δ^Ι (entsprechend YBa2Cu307-6Xa) , CaCu3 i40i2, Perovskites and / or defect perovskite and / or perovskite related compounds, preferably YBa 2 Cu307-s, wherein Ο δ ^ ^ Ι (corresponding YBa2Cu307- 6 X a), CaCu3 i 4 0I2,
Lai, 85Sro, 15CUO3, 930CI0, 053, (La, Sr) 2Cu04. Bevorzugt als Promotoren sind hierbei die Metalloxide. Lai, 85Sro, 15CUO3, 930CI0, 053, (La, Sr) 2 Cu0 4 . Preferred promoters here are the metal oxides.
Das eingesetzte Metalloxid ist bevorzugt wasserunlöslich, da¬ mit wässrige Elektrolyte in einer Elektrolyse unter Verwen¬ dung der erfindungsgemäßen Gasdiffusionselektrode verwendet werden können. Bevorzugt sind die Metalloxide nicht inert, sondern sollen hydrophile Reaktionszentren darstellen, die für die Bereitstellung von Protonen dienen können. The metal oxide used is preferably water-insoluble, since ¬ can be used with aqueous electrolytes in an electrolysis using Verwen ¬ tion of the gas diffusion electrode according to the invention. Preferably, the metal oxides are not inert, but are intended to represent hydrophilic reaction centers that can serve for the provision of protons.
Die Promotoren, insbesondere, das Metalloxid, können hierbei die Funktion und Herstellung langzeitstabiler Elektrokataly- satoren begünstigen, indem sie katalytisch aktive Cu- Nano- strukturen stabilisieren. Die struktureller Promotoren können hierbei die hohen Oberflächenmobilitäten der Cu- Nanostrukturen und somit ihre Sinterneigung verringern. Das Konzept stammt aus der heterogenen Katalyse und wird erfolg¬ reich innerhalb von Hochtemperaturprozessen verwendet. The promoters, in particular the metal oxide, can in this case promote the function and production of long-term stable electrocatalysts by stabilizing catalytically active Cu nanostructures. In this case, the structural promoters can reduce the high surface mobilities of the Cu nanostructures and thus their sintering tendency. The concept comes from the heterogeneous catalysis and is recognized ¬ rich used within high temperature processes.
Als Promotoren können für die elektrochemische Reduktion können insbesondere folgende Metalloxide verwendet werden, die im elektrochemischen Fenster nicht zu Metallen reduziert werden können: Zr02 (E=-2,3V), A1203 (E=-2,4V), Ce02 (E=-2,3V), MgO (E=-2,5) . Hierbei ist zu beachten, dass die genannten Oxide nicht als Additive zugesetzt werden, sondern Teil des Katalysators selbst sind. Das Oxid erfüllt neben seiner Funk¬ tion als Promotor auch noch das Merkmal, Kupfer in der Oxida- tionsstufe I zu stabilisieren. Insbesondere bevorzugt sind für solche Gasdiffusionselektro¬ den Metalloxid-Kupfer-Katalysator-Strukturen, die wie folgt hergestellt werden. As promoters for the following electrochemical reduction of metal oxides can be used in particular, which can not be reduced to metals in the electrochemical window: Zr0 2 (E = -2,3V), A1 2 0 3 (E = -2,4V), Ce0 2 (E = -2.3V), MgO (E = -2.5). It should be noted that the oxides mentioned are not added as additives, but part of the Catalyst itself are. The oxide met in addition to his radio ¬ tion as a promoter also the feature copper in the oxidation state I to stabilize. Particularly preferred are for such gas diffusion electric ¬ the metal oxide-copper catalyst structures which are produced as follows.
Für die Herstellung der Metalloxide kann die Fällung gemäß bestimmten Ausführungsformen nicht wie häufig beschrieben in einem pH-Regime zwischen pH= 5,5-6,5 erfolgen, sondern in einem Bereich zwischen 8,0-8,5, sodass als Prekursor nicht Malachit (Cu2 [ (OH) 2 I C03] ) , Azurit (Cu3 (C03) 2 (OH) 2) bzw. For the production of the metal oxides, according to certain embodiments, the precipitation can not be carried out in a pH-range between pH = 5.5-6.5 as described frequently, but in a range between 8.0-8.5, so that malachite does not precursor (Cu 2 [(OH) 2 I C0 3 ]), azurite (Cu 3 (C0 3 ) 2 (OH) 2 ) or
Aurichalzit (Zn, Cu) 5 [ (OH) 61 (C03) 2] ) ähnliche Hydroxid- Carbonate entstehen, sondern Hydrotalcite Aurichalzit (Zn, Cu) 5 [(OH) 6 1 (C0 3 ) 2]) similar hydrate carbonates arise, but hydrotalcites
(CU6AI2CO3 (OH) 16 · 4 (H20) ) , die in größerer Ausbeute erhalten werden können. Ebenfalls sind geschichtete Doppelhydroxide (layered double hydroxides, LDHs) mit einer Zusammensetzung MZ+!_XM3+ X (OH) 2] q+η q/n -yH20 geeignet, wobei M1+ = Li+, Na+, K+, M2+ = Ca2+, Mg2+, Cu2+ und M3+= ΑΙ,Υ,Τί, Hf, Ga . Die entspre¬ chenden Prekursoren können durch Ko-Dosierung einer Metallsalzlösung und einer basischen Carbonatlösung pH kontrolliert gefällt werden. Ein besonderes Merkmal dieser Materialien ist das Vorhandensein besonders feiner Kupferkristallite mit ei- ner Größe von 4-10 nm, die durch das vorhandene Oxid struktu¬ rell stabilisiert werden. (CU6AI 2 CO3 (OH) 1 6 .4 (H 2 O)), which can be obtained in greater yield. Are also layered double (layered double hydroxides, LDHs) X M 3+ X (OH) 2] q + η q / n .yH 2 0 suitable, wherein M 1+ = Li +, Na having a composition M Z +! _ +, K +, M 2+ = Ca 2+, Mg 2+, Cu 2+, and M 3+ = ΑΙ, Υ, Τί, Hf, Ga. The entspre ¬ sponding precursors may be prepared by co-dosage of a metal salt solution and a basic carbonate pH are precipitated controlled. A special feature of these materials is the presence of ultra-fine copper crystallites with egg ner size of 4-10 nm, which are stabilized struc ¬ rell through the existing oxide.
Nach der Fällung kann eine Trocknung mit anschließender Kalzinierung im 02/Ar Gasstrom erfolgen. Die erzeugten After the precipitation, drying can be carried out with subsequent calcination in the 0 2 / Ar gas stream. The generated
Oxidprekursoren können auch im Anschluss direkt in einemOxid precursors can also be connected directly in one
H2/Ar Gasstrom reduziert werden, wobei nur das CU2O bzw. CuO zu Cu reduziert wird und der Oxidpromotor erhalten bleibt. Der Aktivierungsschritt kann auch im Nachhinein elektroche¬ misch erfolgen. Um die elektrische Leitfähigkeit der aufge- brachten Schicht vor der elektrochemischen Aktivierung zu verbessern, können auch teilweise Oxidprekursoren und aktivierten Prekursoren gemischt werden. Um die Grundleitfähig- keit zu erhöhen können auch 0-10 Gew.% Kupferpulver in ähnlicher Partikelgröße zugemischt werden. H2 / Ar gas flow can be reduced, whereby only the CU 2 O or CuO is reduced to Cu and the oxide promoter is maintained. The activation step can also be done afterwards electrochemical ¬ mixed. In order to improve the electrical conductivity of the applied layer prior to electrochemical activation, it is also possible to partially mix oxide precursors and activated precursors. In order to 0-10 wt.% Copper powder in similar particle size can be added to increase speed.
Es ist ebenfalls nicht ausgeschlossen, dass die fertig ka- landrierte Gasdiffusionselektrode einer nachträglichen Kalzi¬ nierung / thermischen Behandlung unterworfen wird, bevor die elektrochemische Aktivierung durchgeführt wird. It is also not excluded that the finish is subjected ka- landrierte gas diffusion electrode of a subsequent Kalzi ¬ discrimination / thermal treatment before the electro-chemical activation is performed.
Eine weitere Herstellungsmöglichkeit geeigneter Elektrokata- lysatoren basiert auf dem Ansatz der Erzeugung von kupfereichen intermetallischen Phasen wie z.B. CusZr, CuioZr7, Another possibility of producing suitable electrocatalysts is based on the approach of producing copper-rich intermetallic phases such as, for example, CusZr, CuioZr 7 ,
Cu5iZri4, die aus der Schmelze hergestellt werden können. Ent¬ sprechende Ingots können im Nachhinein gemahlen und vollständig bzw. teilweise im 02/Argon-Gasstrom kalziniert und in die Oxidform überführt werden. Von besonderem Interesse sind die Cu-reichen Phasen der binären Systeme Cu-Al, Cu-Zr, Cu-Y, Cu- Hf, CuCe, Cu-Mg sowie der entsprechende ternäre Systeme mit Cu-Gehalten >60at% : CuYAl, CuHfAl, CuZrAl, CuAlMg, CuAICe. Kupferreiche Phasen sind beispielsweise aus E. Kneller, Y. Khan, U. Gorres, The Alloy System Copper-Zirconium, Part I. Phase Diagram and Structural Relations, Zeitschrift für Me¬ tallkunde 77 (1), S. 43-48, 1986 für Cu-Zr-Phasen, aus Cu5iZri 4 , which can be produced from the melt. Suitable ingots can subsequently be ground and completely or partially calcined in the O 2 / argon gas stream and converted into the oxide form. Of particular interest are the Cu-rich phases of the binary systems Cu-Al, Cu-Zr, Cu-Y, Cu-Hf, CuCe, Cu-Mg and the corresponding ternary systems with Cu contents> 60at%: CuYAl, CuHfAl, CuZrAl, CuAlMg, CuAICe. Copper-rich phases are, for example, E. Kneller, Y. Khan, U. Gorres, The Alloy System Copper zirconium, Part I. Phase Diagram and structural relations, Journal of Me ¬ tallkunde 77 (1), pp 43-48, 1986 for Cu-Zr phases, from
Braunovic, M. ; Konchits, V. V.; Myshkin, N.K.: Electrical contacts, fundamentals , applicationsand technology; CRC Press 2007 für Cu-Al-Phasen, aus Petzoldt, F.; Bergmann, J.P.; Braunovic, M.; Konchits, V. V .; Myshkin, N.K .: Electrical contacts, fundamentals, applicationsand technology; CRC Press 2007 for Cu-Al Phases, from Petzoldt, F .; Bergmann, J.P .;
Schürer, R.; Schneider, 2013, 67 Metall, 504-507 (siehe z.B. Tabelle 1) für Cu-Al-Phasen, aus Landolt-Börnstein - Group IV Physical Chemistry Volume 5d, 1994, S. 1-8 für Cu-Ga-Phasen, und aus P.R. Subramanian, D.E. Laughlin, Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1988, 9,1, 51-56 für Cu-Hf-Phasen bekannt. Schürer, R .; Schneider, 2013, 67 Metal, 504-507 (see, eg, Table 1) for Cu-Al phases, from Landolt-Börnstein - Group IV Physical Chemistry Volume 5d, 1994, pp 1-8 for Cu-Ga phases, and from PR Subramanian, D.E. Laughlin, Bulletin of Alloy Phase Diagrams, 1988, 9, 1, 51-56 discloses Cu-Hf phases.
Tabelle 1: Kupfer-Aluminium-Phasen (entnommen aus Petzoldt, F.; Bergmann, J.P.; Schürer, R.; Schneider, 2013, 67 Metall, 504-507) TABLE 1 Copper-aluminum phases (taken from Petzoldt, F. Bergmann, J. P., Schürer, R. Schneider, 2013, 67 Metall, 504-507)
Phase Cu AI Härte [HV] Spez. el. Wi¬Phase Cu AI Hardness [HV] Spe. El. Wi¬
[Gew. %] [Gew. %] derstand [yQcm] Cu 100 0 100 1,75 [Wt. %] [Wt. %] resistance [yQcm] Cu 100 0 100 1.75
Γι 80 20 1050 14,2  20ι 80 20 1050 14.2
Cu9Al4 Cu 9 Al 4
Δ 78 22 180 13,4  Δ 78 22 180 13.4
Cu3Al2 Cu 3 Al 2
ζ2 75 25 624 12,2 75 2 75 25 624 12.2
Cu4Al3 Cu 4 Al 3
n2 CuAl 70 30 648 11,4 n 2 CuAl 70 30 648 11.4
Θ CuAl2 55 45 413 8,0 Θ CuAl 2 55 45 413 8.0
AI 0 100 60 2, 9  AI 0 100 60 2, 9
Auch bei diesen kupferreichen intermetallischen Phasen ist der Anteil an Kupfer bevorzugt größer als 40 At.%, weiter be¬ vorzugt größer als 50 At.%, besonders bevorzugt größer als 60 At . % . Also in these copper-rich intermetallic phases the content of copper is preferably greater than 40 at.%, Further be ¬ vorzugt greater than 50 at.%, Particularly preferably greater than 60 At. %.
Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die intermetal¬ lischen Phasen auch Nichtmetallelemente wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Selen und/oder Phosphor enthält, also beispielsweise Oxide, Sulfide, Selenide, Niride und/oderHowever, it is not excluded that the intermetallic ¬ phases also contains non-metal elements such as oxygen, nitrogen, sulfur, selenium and / or phosphorus, so for example, oxides, sulfides, selenides, nirides and / or
Phosphide enthalten sind. Beispielsweise sind die intermetal¬ lischen Phasen teilweise oxidiert. Phosphides are included. For example, the intermetallic ¬ intermetallic phases are partially oxidized.
Des Weiteren können folgende kupferenthaltende Perowskit- Strukturen und/oder Defekt-Perowskite und/oder Perowskit- verwandte Verbindungen für Elektrokatalysatoren verwendet werden: YBa2Cu307-6, wobei Ο^δ^Ι, CaCu3Ti40i2, Furthermore, the following copper-containing perovskite structures and / or defect perovskites and / or perovskite-related compounds can be used for electrocatalysts: YBa 2 Cu 3 O 7 - 6 , where Ο δ Ι, CaCu 3 Ti 4 O 2,
Lai, 85Sro, i5, CUO3, 930CI0, 053, (La, Sr) 2Cu04. Ferner wird nicht ausge¬ schlossen, dass Mischungen dieser Materialen zur Elektroden- präparation verwendet werden können bzw. je nach Bedarf nachträgliche Kalzinierungs bzw. Aktivierungsschritte durchge¬ führt werden. Lai, 85Sro, i5, CUO3, 930CI0, 053, (La, Sr) 2 Cu0 4 . Further, not be ¬ is concluded that mixtures of these materials can be used for electrode preparation, or as needed subsequent calcination or activation steps Runaway ¬ leads are.
Beispielsweise haben die Katalysatorpartikel, umfassend bzw. bestehend aus Kupfer, beispielsweise Kupferpartikel, die zur Herstellung der GDE verwendet werden, eine einheitliche For example, the catalyst particles comprising or consisting of copper, for example, copper particles used to prepare the GDE, have a uniformity
Partikelgröße zwischen 5 und 80 ym, bevorzugt 10 bis 50 ym, weiter bevorzugt zwischen 30 und 50 ym. Weiterhin haben die Katalysatorpartikel bevorzugt eine hohe Reinheit ohne Fremd¬ metallspuren. Durch geeignete Strukturierung, ggf. mit Hilfe der Promotoren, kann eine hohe Selektivität und Langzeitsta¬ bilität erzielt werden. Particle size between 5 and 80 ym, preferably 10 to 50 ym, more preferably between 30 and 50 ym. Furthermore, the Catalyst particles preferably have a high purity without foreign ¬ metal traces. By appropriate structuring, possibly with the aid of promoters, high selectivity and Langzeitsta ¬ stability can be achieved.
Ebenso können die Promotoren, beispielsweise die Metalloxide, eine entsprechende Partikelgröße bei der Herstellung haben. Likewise, the promoters, for example the metal oxides, may have an appropriate particle size in the production.
Um die Porosität der Elektrode weiter einzustellen, können Cu-Pulverzuschläge mit einem Partikeldurchmesser von 50 bisTo further adjust the porosity of the electrode, Cu powder aggregates having a particle diameter of 50 to
600 ym, bevorzugt 100 bis 450 ym, bevorzugt 100-200 ym, zuge¬ geben werden. Der Partikeldurchmesser dieser Zuschläge beträgt beispielsweise 1/3-1/10 der Gesamtschichtdicke der Schicht. Anstelle von Cu kann es sich bei dem Zuschlag auch um ein Inertmaterial wie ein Metalloxid handeln. Hierdurch kann eine verbesserte Bildung von Poren bzw. Kanälen erzielt werden . 600 ym, preferably 100 to 450 ym, preferably 100-200 ym, supplied ¬ give. The particle diameter of these additives is for example 1 / 3-1 / 10 of the total layer thickness of the layer. Instead of Cu, the addition may also be an inert material such as a metal oxide. As a result, an improved formation of pores or channels can be achieved.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die erste Schicht weniger als 5 Gew.%, weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.% und noch weiter bevorzugt keinen Kohle- und/oder Ruß-basierten bzw. -artigen, beispielsweise leitfähigen, Füller, bezogen auf die Schicht. Zudem enthält die erste Schicht gemäß be¬ stimmten Ausführungsformen keine oberflächenaktiven Stoffe. Gemäß bestimmten Ausführungsformen enthalten die erste und/oder zweite Schicht zudem kein Opfermaterial, z.B. ein Opfermaterial mit einer Freisetzungstemperatur von ungefähr unter 275° C, z.B. von unter 300°C oder unter 350°C, insbesondere keinen Porenbildner, welches bzw. welcher üblicher- weise bei Herstellung von Elektroden unter Verwendung eines solchen Materials zumindest teilweise in der Elektrode zu¬ rückbleiben kann. According to certain embodiments, the first layer comprises less than 5 wt.%, More preferably less than 1 wt.%, And even more preferably no carbon- and / or carbon black-based, for example, conductive, filler with respect to the layer. In addition, the first layer according to certain embodiments does not contain any surface-active substances. In addition, according to certain embodiments, the first and / or second layer do not contain a sacrificial material, eg a sacrificial material with a release temperature of approximately below 275 ° C, eg below 300 ° C or below 350 ° C, in particular no pore former, which or more commonly wise in the production of electrodes using such a material at least partially in the electrode to ¬ backward can.
So nur eine (erste) Schicht in der GDE vorhanden ist, kann der Gehalt bzw. Anteil an Binder, beispielsweise PTFE, bei¬ spielsweise 3-30 Gew.%, bevorzugt 3-20 Gew.%, weiter bevor¬ zugt 3-10 Gew.%, noch weiter bevorzugt 3 - 7 Gew.% betragen, bezogen auf die eine (erste) Schicht. Die oben beschriebene GDE umfasst weiter eine zweite Schicht umfassend Kupfer und mindestens einen Binder, wobei die zwei¬ te Schicht sich auf dem Träger befindet und die erste Schicht auf der zweiten Schicht, wobei der Gehalt an Binder in der ersten Schicht kleiner ist als in der zweiten Schicht. Dane¬ ben kann die zweite Schicht gröbere Cu- oder Thus, only a (first) layer in the GDE is present, the content and proportion of binder, such as PTFE, may wt at ¬ play 3-30.%, Preferably 3-20 wt.%, More before Trains t ¬ 3-10 % By weight, even more preferably 3-7% by weight, based on the one (first) layer. The GDE described above further comprising a second layer of copper and at least one binder, wherein the two ¬ th layer is located on the support and the first layer on the second layer, wherein the content of the binder in the first layer is smaller than in the second layer. Dane ¬ Ben, the second layer coarser Cu or
Inertmaterialpartikel, beispielsweise mit Inertmaterialpartikel, for example, with
Partikeldurchmessern von 50 bis 700 ym, bevorzugt 100-450 ym, umfassen, um eine geeignete Kanal- bzw. Porenstruktur bereit¬ zustellen . Particle diameters of 50 to 700 ym, preferably 100-450 ym include, in order to provide a suitable channel or pore structure ready ¬ .
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist hierbei die zweite Schicht 3 - 30 Gew.% Binder, bevorzugt 10 - 30 Gew.% Binder, weiter bevorzugt 10 - 20 Gew.% Binder, bevorzugt > 10 Gew.% Binder, weiter bevorzugt > 10 Gew.% und bis zu 20 Gew.% Binder, bezogen auf die zweite Schicht, und die erste Schicht 0 - 10 Gew.% Binder, z.B. 0,1 - 10 Gew.% Binder, bevorzugt 1 - 10 Gew.% Binder, weiter bevorzugt 1 - 7 Gew.%, noch weiter bevorzugt 3 - 7 Gew.% Binder, bezogen auf die erste Schicht, auf. Der Binder kann hierbei derselbe wie in der ersten According to preferred embodiments, the second layer here comprises 3 to 30% by weight of binder, preferably 10 to 30% by weight of binder, more preferably 10 to 20% by weight of binder, preferably 10% by weight of binder, more preferably more than 10% by weight. and up to 20% by weight of binder, based on the second layer, and the first layer of 0-10% by weight of binder, eg 0.1 to 10% by weight of binder, preferably 1 to 10% by weight of binder, more preferably 1 to 7% by weight, even more preferably 3 to 7% by weight of binder, based on the first layer. The binder can be the same as in the first one
Schicht sein, beispielsweise PTFE. Daneben können die Parti¬ kel zur Herstellung der zweiten Schicht gemäß bestimmten Ausführungsformen denen der ersten entsprechen, jedoch auch von diesen verschieden sein. Die zweite Schicht ist hierbei eine Metallpartikelschicht (metal particle layer, MPL) , welche un¬ terhalb der Katalysatorschicht (CL) liegt. Durch eine derar¬ tige Schichtung können gezielt stark hydrophobe Bereiche in der MPL geschaffen werden und eine Katalysatorschicht mit hydrophilen Eigenschaften generiert werden. Durch den stark hydrophoben Charakter der MPL kann ebenfalls ein unerwünschtes Eindringen des Elektrolyten in die Gastransportkanäle, also ein Fluten davon, verhindert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen durchdringt die zweite Schicht die erste Schicht teilweise. Dies ermöglicht einen guten Übergang zwischen den Schichten hinsichtlich der Diffusion. Neben der zweiten Schicht kann die erfindungsgemäße GDE noch weitere Schichten, beispielsweise auf der ersten Schicht und/oder auf der anderen Seite des Trägers, aufweisen. Be layer, such as PTFE. In addition, the Parti ¬ kel, for the preparation of the second layer in accordance with certain embodiments of the first corresponding to those however also be different from this. The second layer is in this case a metal particle layer (metal particle layer, MPL), which un ¬ terhalb the catalyst layer is (CL). By a Derar ¬ term stratification highly hydrophobic regions in the MPL can be created and a catalyst layer with hydrophilic properties are generated selectively. Due to the highly hydrophobic nature of the MPL, undesired penetration of the electrolyte into the gas transport channels, ie flooding thereof, can also be prevented. According to certain embodiments, the second layer partially penetrates the first layer. This allows a good transition between the layers in terms of diffusion. In addition to the second layer, the GDE according to the invention may also have further layers, for example on the first layer and / or on the other side of the support.
Zur Herstellung einer solchen mehrschichtigen GDE kann beispielsweise zunächst eine Mischung für eine MPL auf der Basis eine hochleitfähigen Cu-Mischung aus dendritischem Cu mit Partikelgrößen zwischen 5 - 100 ym, bevorzugt kleiner 50 ym und gröberen Cu- oder Inertmaterialpartikeln mit To produce such a multilayered GDE, for example, a mixture for an MPL based on a highly conductive Cu mixture of dendritic Cu having particle sizes between 5-100 μm, preferably less than 50 μm and coarser Cu or inert material particles can be used
Partikelgrößen von 100-450 ym, bevorzugt 100-200 ym, mit ei¬ nem PTFE Gehalt von 3-30 Gew. % vorzugsweise 20 Gew . ~6 , in ei ner Schichtdicke von beispielsweise 0.5 mm auf ein Cu-Netz mit einer Maschenweite von beispielsweise 1 mm (Dicke z.B. 0,2-0, 6mm, z.B. 0,4 mm) aufgesiebt und über einen Rahmen oder Rakel abgezogen werden. Entsprechender dendritischer Kupfer kann auch in der ersten Schicht vorhanden sein. Im Anschluss kann dann ein weiteres Aufsieben der Katalysator/PTFE- Mischung (CL) , beispielsweise mit einem PTFE-Gehalt von 0,1- 10 Gew.%, und ein Glätten bzw. Abziehen, beispielsweise über einen 1 mm dicken Rahmen, erfolgen, so dass eine Gesamtschichtdicke (Hf) von 1 mm erhalten werden kann. Die so vorpräparierte Schicht kann dann einem Kalandar mit einer Spalt¬ breite Ho=0 , 4-0 , 7mm, bevorzugt 0,5-0, 6mm, zugeführt und aus- gewalzt werden, so dass eine mehrschichtige Gasdiffusions¬ elektrode, wie in Figur 3 schematisch dargestellt, mit einem Cu-Netz 8, einer MPL 9 und einer CL 10 erhalten werden kann. Durch die MPL können eine bessere mechanische Stabilität, ei¬ ne weitere Verminderung des Durchdringens von Elektrolyt und eine bessere Leitfähigkeit, insbesondere bei Verwendung von Netzen als Trägern, erzielt werden. Particle sizes of 100-450 ym, preferably 100-200 ym, with ei ¬ nem PTFE content of 3-30 wt.% Preferably 20 wt. ~ 6, in egg ner layer thickness of, for example, 0.5 mm on a Cu mesh with a mesh size of, for example, 1 mm (thickness, for example, 0.2-0, 6mm, eg 0.4 mm) are sieved and removed via a frame or squeegee. Corresponding dendritic copper may also be present in the first layer. Subsequently, a further Aufsieben the catalyst / PTFE mixture (CL), for example, with a PTFE content of 0.1-10 wt.%, And a smoothing or stripping, for example, over a 1 mm thick frame done, so that a total layer thickness (Hf) of 1 mm can be obtained. The thus pre-prepared layer may then one of calendar with a gap ¬ width Ho = 0, 4-0, 7 mm, preferably from 0.5 to 0, 6mm, supplied to and off-rolled, so that a multi-layer gas diffusion electrode ¬, as shown in Figure 3 is shown schematically, with a Cu network 8, an MPL 9 and a CL 10 can be obtained. By MPL better mechanical stability, ei ¬ ne further reduction of the penetration of electrolyte and better conductivity, especially when using networks as carriers, can be achieved.
Eine schrittweise Herstellung der GDE durch jeweils Aufsieben und Aufwalzen jeder einzelnen Schicht kann zu einer geringe- ren Haftung zwischen den Schichten führen und ist deshalb weniger bevorzugt. Der Grad der Fibrillierung des Binders, beispielsweise PTFE, (Strukturparameter ζ) korreliert direkt mit der aufgebrachten Scherrate, da sich der Binder, beispielsweise ein Polymer, als scher-verdünnendes (pseudoplastisches) Fluid beim Auswal- zen verhält. Nach der Extrusion weist die erhaltene Schicht durch die Fibrillierung einen elastischen Charakter auf. Diese Strukturänderung ist irreversibel, sodass sich dieser Effekt durch weiteres Auswalzen nicht mehr nachträglich verstärken lässt, sondern die Schicht durch das elastische Ver- halten bei weiterer Einwirkung von Scherkräften beschädigt wird. Eine besonders starke Fibrillierung kann nachteilig zu einem schichtseitigen Zusammenrollen der Elektrode führen, so dass zu hohe Gehalte an Binder vermieden werden sollten. A stepwise production of the GDE by each sieving and rolling of each individual layer can lead to a lower adhesion between the layers and is therefore less preferred. The degree of fibrillation of the binder, for example PTFE, (structural parameter ζ) correlates directly with the applied shear rate, since the binder, for example a polymer, behaves as a shear-thinning (pseudoplastic) fluid upon swelling. After extrusion, the resulting layer has an elastic character due to the fibrillation. This structural change is irreversible, so that this effect can no longer be subsequently enhanced by further rolling, but the layer is damaged by the elastic behavior upon further action of shear forces. A particularly strong fibrillation can disadvantageously lead to a layer-side coiling of the electrode, so that too high contents of binder should be avoided.
Für die Gasdiffusionselektrode ist es vorteilhaft, zur besse¬ ren Kontaktierung nanoskaliger Materialien, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Porosität, eine Kupfer-PTFE Grundschicht als zweite Schicht aufzutragen. Die Grundschicht kann durch eine sehr hohe Leitfähigkeit, beispielsweise 7 mOhm/cm oder mehr, gekennzeichnet sein und weist bevorzugt eine hohe Porosität, beispielsweise von 50-70%, und einen hydrophoben Charakter auf. Der Bindergehalt, beispielsweise PTFE, kann beispielsweise zwischen 3- 30 Gew.%, z.B. 10-30 Gew.%, gewählt werden. Die Kupferzwischenschicht als zweite Schicht kann im Bereich der Überlappungszone zur Katalysatorschicht als erster Schicht selbst katalytisch aktiv sein, und dient insbesondere zur besseren flächigen elektrischen Anbin- dung des Elektrokatalysators . Mit Hilfe dieser Methode kann die benötigte Menge an Katalysator um den Faktor 20-30 verringert werden. For the gas diffusion electrode, it is advantageous to Besse ¬ ren contacting nanoscale materials to coat the base layer, while maintaining a high porosity, a copper-PTFE as the second layer. The base layer can be characterized by a very high conductivity, for example 7 mOhm / cm or more, and preferably has a high porosity, for example of 50-70%, and a hydrophobic character. The binder content, for example PTFE, can be selected, for example, between 3-30% by weight, for example 10-30% by weight. The intermediate copper layer as the second layer can be catalytically active in the region of the overlap zone to the catalyst layer as the first layer itself, and serves in particular for better planar electrical connection of the electrocatalyst. Using this method, the required amount of catalyst can be reduced by a factor of 20-30.
Die Methode des zweischichtigen Aufbaus birgt des Weiteren die Möglichkeit, innerhalb der Katalysatorschicht als erster Schicht auf Bindermaterialien zu verzichten, wodurch eine bessere elektrische Leitfähigkeit erzielt werden kann. Es lassen sich ebenfalls sehr duktile bzw. brüchige Pulverparti¬ kel verarbeiten. Eine nachträgliche elektrochemische Aktivierung der erhalte¬ nen Elektrode kann ggf. durchgeführt werden, beispielsweise durch chemische oder elektrochemische Aktivierung, und ist nicht besonders beschränkt. Eine elektrochemische Aktvie¬ rungsprozedur kann dazu führen, dass Kationen des Leitsalzes des Elektrolyten (z.B. KHC03, K2S04 NaHC03, KBr, NaBr) in die hydrophoben GDE Kanäle eindringen und dadurch hydrophile Bereiche geschaffen werden. Furthermore, the method of the two-layer structure offers the possibility of dispensing with binder materials as the first layer within the catalyst layer, as a result of which better electrical conductivity can be achieved. It can also handle very ductile or brittle powder Parti ¬ kel. A subsequent activation of the electrochemical receive ¬ NEN electrode may optionally be carried out, for example by chemical or electrochemical activation, and is not particularly limited. An electrochemical Aktvie ¬ approximately procedure may lead to the conducting salt of the electrolyte cations (eg, KHC0 3, K 2 S0 4 NaHC0 3, KBr, NaBr) to penetrate into the hydrophobic channels GDE and characterized hydrophilic regions are created.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, The process according to the invention is suitable for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten. wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
Hierbei sind die anorganischen und/oder organischen Reste nicht besonders beschränkt, und die anorganischen Reste kön- nen auch organische Teilstrukturen umfassen, beispielsweise in Addukten oder Komplexen. Organische Reste umfassen gemäß bestimmten Ausführungsformen 1 bis 100 C-Atome, beispielsweise 1 bis 40 C-Atome, bevorzugt 1 bis 20 C-Atome, z.B. 1 - 10, 1 bis 6, 1 bis 4, 1 bis 2 C-Atome oder aber auch nur 1 C- Atom. Als anorganische Reste kommen sämtliche anorganischen Reste infrage. Es kommen auch Derivate anorganischer Reste und/oder substituierte organische Reste in Betracht. Als an¬ organische und/oder organische Reste sind beispielsweise -H, -D, -OH, -OR*, -SH, -SR*, -NH2, -NR*R* , -COOH, -COOR*, -CHO, - COR*, -PH2, -PR*R*, -F, -Cl, -Br, -I, -NO, -N02, sowie substi¬ tuierte oder nicht substituierte Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl und Arylgruppen denkbar, wobei R* und R* dabei ebenfalls be¬ liebige organische, beispielsweise mit 1 bis 100 C-Atomen, beispielsweise 1 bis 40 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 20 C- Atomen, z.B. 1 - 10, 1 bis 6, 1 bis 4, 1 bis 2 C-Atomen oder aber auch nur 1 C-Atom, oder anorganische Seitenketten, wie - H, -D, -OH, -SH, -NH2, -COOH, -CHO, -PH2, -F, -Cl, -Br, -I, -In this case, the inorganic and / or organic radicals are not particularly limited, and the inorganic radicals may also comprise organic substructures, for example in adducts or complexes. Organic radicals according to certain embodiments comprise 1 to 100 C atoms, for example 1 to 40 C atoms, preferably 1 to 20 C atoms, for example 1 to 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 C atoms or else also only 1 C atom. Suitable inorganic radicals are all inorganic radicals. Derivatives of inorganic radicals and / or substituted organic radicals are also suitable. Than ¬ organic and / or organic radicals are, for example, -H, -D, -OH, -OR *, -SH, -SR *, -NH 2, -NR * R *, -COOH, -COOR *, -CHO , - COR *, -PH 2, -PR * R *, -F, -Cl, -Br, -I, -NO, -N0 2, and substi ¬-substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups conceivable, wherein R * and R * likewise be ¬ undesirables organic, for example having 1 to 100 carbon atoms, for example 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 20 carbon atoms, for example 1 - 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 carbon atoms or but also only 1 C atom, or inorganic side chains, such as - H, -D, -OH, -SH, -NH 2 , -COOH, -CHO, -PH 2 , -F, -Cl, -Br, -I , -
NO, - O2 sowie substituierte oder nicht substituierte Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl und Arylgruppen, darstellen können. Es sind also alle Alkine als Edukte des Verfahrens geeignet. Es kön¬ nen folglich auch Verbindungen der chemischen Formel (I) mit zwei oder mehr C-C-Dreifachbindungen teilweise hydriert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist die Verbindung der chemischen Formel (I) jedoch nur eine C-C-Dreifachbindung auf, nämlich die in der chemischen Formel (I) dargestellte. NO, - O 2, as well as substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups. Thus, all alkynes are suitable as starting materials of the process. It ¬ NEN, compounds of the chemical formula (I) having two or more carbon-carbon triple bonds are partially hydrogenated Kgs consequently. However, according to certain embodiments, the compound of the chemical formula (I) has only one C-C triple bond, namely that shown in the chemical formula (I).
Als teilweise Hydrierung ist hierbei die Hydrierung von As partial hydrogenation here is the hydrogenation of
Alkin, also Dreifachbindung, zu Alken, also Doppelbindung, zu verstehen. Elektrochemisch findet die Reaktion unter Verwen- dung von Elektrizität, beispielsweise in einer Elektrolyse¬ zelle, statt. Alkyne, ie triple bond, to alkene, so double bond to understand. Electrochemical finds the reaction THROUGH USE of electricity, for example, in an electrolysis cell ¬ instead.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die anorganischen und/oder organischen Reste R und Rx ausgewählt aus substitu- ierten oder nicht substituierten Alkyl-, Alkenyl- Alkinyl- und/oder Arylresten, bevorzugt Alkyl- und/oder Arylresten, bevorzugt mit 1 bis 40 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 20 C-Atomen, z.B. 1 - 10, 1 bis 6, 1 bis 4, 1 bis 2 C-Atomen oder aber auch nur 1 C-Atom, -H, -D, -OH, -OR*, -SH, -SR*, -NH2, _NR*R* , -COOH, -COOR*, -CHO, -COR*, -PH2, -PR*R*, -F, -Cl, -Br, -I, - NO, und -NO2, wobei R* und R* organische und/oder anorganische Reste darstellen, welche bevorzugt ausgewählt sind aus -H, - D, -OH, -SH, -NH2, -COOH, -CHO, -PH2, -F, -Cl, -Br, -I, -NO, - NO2, sowie substituierten oder nicht substituierten Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl und Arylgruppen, bevorzugt Alkyl- und/oder Arylgruppen, mit 1 bis 40 C-Atomen, bevorzugt 1 bis 20 C- Atomen, z.B. 1 - 10, 1 bis 6, 1 bis 4, 1 bis 2 C-Atomen oder aber auch nur 1 C-Atom. Als Substituenten für die substituierten oder nicht substituierten Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl und Arylgruppen bzw. -reste kommen beispielsweise -D, -OH, -SH, -NH2, -COOH, -CHO, -PH2, - F, -Cl, -Br, -I, -NO, -NO2 infrage. Es können sich also funk- tionalisierte Seitenketten wie beispielsweise -CH2-OH oder fluorierte Alkyl- und/oder Aryl-Reste wie -CF3 ergeben. According to certain embodiments, the inorganic and / or organic radicals R and R x are selected from substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and / or aryl radicals, preferably alkyl and / or aryl radicals, preferably from 1 to 40 carbon atoms. Atoms, preferably 1 to 20 C atoms, eg 1 to 10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 C atoms or even only 1 C atom, -H, -D, -OH, -OR * , -SH, -SR *, -NH 2 , _NR * R *, -COOH, -COOR *, -CHO, -COR *, -PH 2 , -PR * R *, -F, -Cl, -Br, -I, - NO, and -NO 2 , where R * and R * represent organic and / or inorganic radicals, which are preferably selected from -H, - D, -OH, -SH, -NH 2 , -COOH, - CHO, -PH 2 , -F, -Cl, -Br, -I, -NO, - NO 2 , as well as substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups, preferably alkyl and / or aryl groups, with 1 to 40 carbon atoms, preferably 1 to 20 carbon atoms, for example 1-10, 1 to 6, 1 to 4, 1 to 2 carbon atoms or else only 1 C atom. Suitable substituents for the substituted or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl groups or radicals are, for example, -D, -OH, -SH, -NH 2 , -COOH, -CHO, -PH 2 , - F, - Cl, -Br, -I, -NO, -NO 2 in question. So it can be func- side-chains such as -CH 2 -OH or fluorinated alkyl and / or aryl radicals such as -CF 3 .
Handelt es sich bei R und Rx jeweils um -H oder -D, so ergibt sich als Verbindung der chemischen Formel (I) der Sonderfall Ethin. Ist entweder R oder R aber nicht beide, -H oder -D wird das Alkin als terminales Alkin bezeichnet. Bei internen Alkinen ist weder R noch Rx -H oder -D. Bei terminalen Alke- nen wird bevorzugt die verwendete Ladungsmenge genau kontrol- liert, da eine Überhydierung, wenn auch mit schlechter Effizienz, möglich ist. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind aufgrund dieser notwendigen Kontrolle weder R noch Rx -H oder -D, es werden also interne Alkine hydriert. Es hat sich gezeigt, dass elektronenarme und damit aktivierte Alkine für das Verfahren weniger geeignet sind, da die er¬ wünschten Alkene reaktiver gegenüber Elektrohydrierung sind. Daher lassen sich mit elektronenarmen Alkenen weniger gute Selektivitäten erzielen. Entsprechend sind erfindungsgemäß Alkine bevorzugt, die keine elektronenziehenden Reste tragen, wie z.B. -COOH, -COOR*, -CF3 (wobei R* wie oben definiert ist) . Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist somit das Alkin der chemischen Formel (I) keine elektronenziehenden Reste auf. Gemäß bestimmten Ausführungsformen sind die elekt- ronenziehenden Reste ausgewählt aus -COOH, -COOR*, und fluo¬ rierten Alkyl- und/oder Arylresten, bevorzugt perfluorierten Alkyl- und/oder Arylresten wie -CF3. If R and R x are each -H or -D, then the compound of the chemical formula (I) is the special case of ethyne. If either R or R is not both, -H or -D, the alkyne is called a terminal alkyne. For internal alkynes, neither R nor R x is -H or -D. In the case of terminal alkenes, the amount of charge used is preferably precisely controlled, since overhydration, albeit with poor efficiency, is possible. According to certain embodiments, due to this necessary control, neither R nor R x is -H or -D, so internal alkynes are hydrogenated. It has been found that electron-deficient and thus activated alkynes are less suitable for the process, since the desired alkenes are more reactive towards the hydrogenation of electrolytes . Therefore, less good selectivities can be achieved with electron-poor alkenes. Accordingly, according to the invention, preference is given to alkynes which do not carry electron-withdrawing radicals, for example -COOH, -COOR *, -CF 3 (where R * is as defined above). Thus, according to certain embodiments, the alkyne of the chemical formula (I) has no electron withdrawing groups. According to certain embodiments, the elec- Ronen-withdrawing groups are selected from -COOH, -COOR *, and fluo ¬ tured alkyl and / or aryl groups, preferably perfluorinated alkyl and / or aryl radicals as -CF. 3
Ebenfalls bevorzugt sind hinsichtlich der Effizienz des Ver- fahrens Alkine die keine funktionellen Gruppen tragen, die ihrerseits durch Elektroreduktion umgewandelt werden können. Eine gleichzeitige Elektroreduktion einer reduzierbaren Seitenkette oder eines reduzierbaren Restes ist jedoch möglich. Beispiele für solche Alkine mit einer reduzierbaren Seiten- kette oder einem reduzierbaren Rest sind Alkine, die funktio¬ nellen Gruppen wie -CHO, -COR*, -NO, oder -NO2 tragen oder deren Seitenketten diese Reste enthalten. Die Reduktion von Aldehyden (-CHO) , Ketonen (-COR*) und Nitro-Verbindungen (- NO2) konnte experimentell bestätigt werden. Dabei wurden aus Aldehyden (-CHO) und Ketonen (-COR*) Alkohole (-CH2-OH) bzw. (-CHR*-OH) und aus Nitro-Verbindungen (-N02) Amine (-NH2) er¬ halten . With regard to the efficiency of the process, preference is likewise given to alkynes which do not carry any functional groups which, in turn, can be converted by electroreduction. However, a simultaneous electro-reduction of a reducible side chain or a reducible radical is possible. Examples of such chain alkynes with a reducible side or a reducible rest are alkynes which func tional ¬ groups such as -CHO, -COR *, -NO, or -NO 2 or their carry side chains containing these residues. The reduction of aldehydes (-CHO), ketones (-COR *) and nitro compounds (- NO 2 ) could be confirmed experimentally. From aldehydes (-CHO) and ketones (-COR *) alcohols (-CH 2 -OH) or (-CHR * -OH) and from nitro compounds (-NO 2 ) amines (-NH 2 ) he ¬ hold .
Gemäß bestimmten Ausführungsformen weist somit das Alkin der chemischen Formel (I) keine weiteren reduzierbaren funktionellen Gruppen außer der Dreifachbindung auf. Besonders bevorzugt sind im erfindungsgemäßen Verfahren gas¬ förmige oder wasserlösliche/wassermischbare Alkine, bei¬ spielsweise gasförmige Alkine, als Alkin der chemischen For¬ mel (I) . Beispiele für solche geeigneten Verbindungen sind Ethin,Thus, according to certain embodiments, the alkyne of the chemical formula (I) has no further reducible functional groups other than the triple bond. Particular preference is in the novel process gas ¬ shaped or water-soluble / water-miscible alkynes, wherein ¬ play, gaseous alkynes, alkyne of the chemical ¬ For mel (I). Examples of such suitable compounds are ethyne,
Propin, 1-Butin oder 2-Butin, Propargylalkohol (2-Propin-l- ol) und 2-Butin-l-ol . Propyne, 1-butyne or 2-butyne, propargyl alcohol (2-propyne-1-ol) and 2-butyne-1-ol.
Eine gute Synergie hat sich insbesondere bei der Verwendung gasförmiger Alkine der chemischen Formel (I) mit einer kup- ferhaltigen Gasdiffusionselektrode ergeben. Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist daher die kupferhaltige Elektrode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet, wobei das Alkin der che¬ mischen Formel (I) gasförmig vorliegt. A good synergy has resulted in particular when using gaseous alkynes of the chemical formula (I) with a copper-containing gas diffusion electrode. According to certain embodiments, therefore, the copper-containing electrode is formed as a gas diffusion electrode, wherein the alkyne of the chemical formula ¬ (I) is present in gaseous form.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen wird die Hydrierung mit einem Protonendonor ausgeführt wird, der ausgewählt ist aus Wasser und Alkoholen mit 1 bis 20 C-Atomen, bevorzugt Wasser und Alkoholen mit 1 bis 12, z.B. 1 bis 6 oder 1 bis 4 C- Atomen, besonders bevorzugt Wasser. Das Wasser kann hierbei auch teilweise oder vollständig deuteriert sein, also als HDO oder D2O umfassen, oder auch Tritium, beispielweise bei der Herstellung von radioaktiven Markern. Obgleich ein Elektrolyt, der im erfindungsgemäßen Verfahren Anwendung finden kann, nicht besonders beschränkt ist, wird somit vorteilhaft ein wässriger Elektrolyt verwendet. Darüber hinaus können beliebige Leitsalze und/oder ionische Flüssig- keiten verwendet werden. Auch können Mischungen von Wasser mit inerten organischen Lösungsmitteln wie z.B. 1,4-Dioxan verwendet werden, um die Substratlöslichkeit zu verbessern. According to certain embodiments, the hydrogenation is carried out with a proton donor selected from water and alcohols having 1 to 20 C atoms, preferably water and alcohols having 1 to 12, eg 1 to 6 or 1 to 4 C atoms, more preferably Water. The water may in this case also be partially or completely deuterated, ie include as HDO or D 2 O, or else tritium, for example in the production of radioactive markers. Although an electrolyte which can be used in the method of the present invention is not particularly limited, an aqueous electrolyte is thus advantageously used. In addition, any conductive salts and / or ionic liquid be used. Also, mixtures of water with inert organic solvents such as 1,4-dioxane can be used to improve substrate solubility.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer kupferhaltigen Elektrode zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, In a further aspect, the present invention relates to the use of a copper-containing electrode for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten. wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
Die kupferhaltige Elektrode entspricht hierbei der, welche im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurde . The copper-containing electrode in this case corresponds to that which has been described in connection with the method according to the invention.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, Furthermore, the present invention relates to a device for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, umfassend eine Elektrolysezelle (1) umfassend eine kupferhaltige Elekt¬ rode, die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen For¬ mel (I) zu Alken zu reduzieren; wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals, comprising an electrolytic cell (1) comprising a copper-containing Elekt ¬ rode, which is adapted to reduce the alkyne of the chemical For ¬ mel (I) to alkene;
eine Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) (3), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen Formel (I) be¬ reitzustellen; und eine erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemi¬ schen Formel (I) von der Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) der Elektrolysezelle zuzuführen. a source of the alkyne of the chemical formula (I) (3), which is designed to provide the alkyne of the chemical formula (I) be ¬ ; and a first feed means (2) for the alkyne of the chemical formula (I), which is adapted to supply the alkyne of chemi ¬'s formula (I) from the source of the alkyne of chemical formula (I) of the electrolytic cell.
Die Elektrolysezelle ist hierbei nicht besonders beschränkt, sofern sie die kupferhaltige Elektrode aufweist, welche der im erfindungsgemäßen Verfahren entsprechen kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere das erfindungs- gemäße Verfahren durchgeführt werden. Hierbei kann die kup- ferhaltige Elektrode als Kathode fungieren. Die weiteren Be¬ standteile der Elektrolysezelle wie Anode, ggf. Membran, Stromquelle, etc. sind nicht besonders beschränkt, wie auch nicht deren Anordnung. In this case, the electrolytic cell is not particularly limited insofar as it has the copper-containing electrode which may correspond to that in the method according to the invention. In particular, the inventive method can be carried out with the device according to the invention. In this case, the copper-containing electrode can act as a cathode. The further Be ¬ constituents of the electrolytic cell as the anode, possibly the membrane, power source, etc. are not particularly limited, such as not their arrangement.
Beispiele einer möglichen Zellanordnung sind wie folgt. Examples of a possible cell arrangement are as follows.
Ein Kathodenraum II kann so ausgestaltet sein, dass ein A cathode compartment II can be designed such that a
Katholyt von unten zugeführt wird und dann nach oben den Ka¬ thodenraum II verlässt. Alternativ kann der Katholyt aber auch von oben zugeführt werden, wie beispielsweise bei Fall¬ filmelektroden. An der Anode A, welche mit der Kathode K mittels einer Stromquelle zur Bereitstellung der Spannung für die Elektrolyse elektrisch verbunden ist, findet in einem Anodenraum I die Oxidation eines Stoffes statt, der von un- ten, beispielsweise mit einem Anolyt, zugeführt wird, wobei der Anolyt mit dem Produkt der Oxidation dann den Anodenraum verlässt. Anodenraum und Kathodenraum können durch eine Membran M getrennt sein. In einem solchen 3-Kammer-Aufbau wie auch in anderen Aufbauten kann ein Reaktionsgas wie bei- spielsweise ein Alkin der chemischen Formel (I) durch eineCatholyte is supplied from below and then leaves the Ka ¬ method space II upwards. Alternatively, the catholyte may be supplied from above but, as for example in case ¬ film-electrodes. At the anode A, which is electrically connected to the cathode K by means of a current source for providing the voltage for the electrolysis, the oxidation of a substance takes place in an anode space I, which is supplied from below, for example with an anolyte the anolyte leaves with the product of the oxidation then the anode compartment. Anode space and cathode space can be separated by a membrane M. In such a 3-chamber structure as in other constructions, a reaction gas such as an alkyne of the chemical formula (I) may be replaced by a
Gasdiffusionselektrode als Kathode in den Kathodenraum II zur Reduktion gefördert werden. Auch Ausführungsformen mit poröser Anode sind denkbar. Räume I und II können wie beschrieben durch eine Membran M getrennt sein. Gas diffusion electrode can be promoted as a cathode in the cathode compartment II for reduction. Embodiments with a porous anode are also conceivable. Rooms I and II can be separated by a membrane M as described.
Im Gegensatz hierzu liegen im PEM (Protonen- bzw. Ionen- Austauscher-Membran) -Aufbau eine Kathode K, z.B. eine Gasdiffu- sionselektrode, und eine Anode A direkt an der Membran M, wo¬ durch der Anodenraum I vom Kathodenraum II getrennt wird. In contrast, in the PEM (proton or ion exchanger membrane) construction, a cathode K, for example a gas diffuser, is located. sion electrode, and an anode A directly to the membrane M, where ¬ is separated by the anode compartment I from the cathode compartment II.
Auch Mischformen dieser Zellaufbauten sind denkbar, wobei beispielsweise auf Katholytseite ein Aufbau mit einer Gasdif¬ fusionselektrode vorgesehen sein kann, welche nicht an der Membran liegt, wohingegen auf Anolytseite die Anode an der Membran liegen kann. Selbstverständlich sind auch andere Mischformen oder andere Ausgestaltungen der beispielhaft dargestellten Elektrodenräume denkbar. Mixed forms of these cell structures are conceivable, in which a structure may be provided with a Gasdif ¬ fusion electrode provided for example catholyte which is not connected to the membrane, whereas the anode may be due to the membrane on anolyte. Of course, other hybrid forms or other embodiments of the exemplified electrode spaces are conceivable.
Weiterhin denkbar sind Ausführungsformen ohne Membran. Gemäß bestimmten Ausführungsformen können der kathodenseitige Also conceivable are embodiments without membrane. According to certain embodiments, the cathode side
Elektrolyt und der anodenseitige Elektrolyt somit identisch sein, und die Elektrolysezelle/Elektrolyseeinheit kann ohne Membran auskommen. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Elektrolysezelle in solchen Ausführungsformen eine Memb¬ ran aufweist, jedoch ist dies mit zusätzlichem Aufwand ver¬ bunden hinsichtlich der Membran wie auch der angelegten Spannung. Katholyt und Anolyt können auch außerhalb der Elektro¬ lysezelle optional wieder gemischt werden. Electrolyte and the anode-side electrolyte thus be identical, and the electrolysis cell / electrolysis unit can do without membrane. However, it is not excluded that the electrolysis cell in such embodiments has a membrane ¬ ran, but this is ver ¬ connected with additional effort in terms of the membrane as well as the applied voltage. Catholyte and anolyte can be mixed again optional and outside the electric ¬ lysezelle.
Die Membran kann, so vorhanden, auch mehrschichtig ausgeführt sein, sodass getrennte Zuführungen von Anolyt bzw. Katholyt ermöglicht werden. Trenneffekte werden bei wässrigen Elektro¬ lyten beispielsweise durch die Hydrophobizität von Zwischen¬ schichten erreicht. Leitfähigkeit kann trotzdem gewährleisten werden, wenn leitfähige Gruppen in derartige Trennschichten integriert sind. Die Membran kann eine ionenleitende Membran sein, bzw. ein Separator, der nur eine mechanische Trennung bewirkt und für Kationen und Anionen durchlässig ist. If present, the membrane can also be multi-layered, so that separate feeds of anolyte or catholyte are made possible. Separation effects in aqueous electric ¬ LYTEN achieved for example by the hydrophobicity of intermediate layers ¬. Nevertheless, conductivity can be ensured if conductive groups are integrated in such separation layers. The membrane may be an ion-conducting membrane, or a separator, which causes only a mechanical separation and is permeable to cations and anions.
Durch die Verwendung einer Gasdiffusionselektrode ist es mög¬ lich, eine Dreiphasen-Elektrode aufzubauen. Beispielsweise kann ein Gas von hinten an die elektrisch aktive Vorderseite der Elektrode geführt werden, um dort eine elektrisch¬ chemische Reaktion durchzuführen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann die Gasdiffusionselektrode auch nur hinterströmt sein, d.h. ein Gas wie das Alkin der chemischen Formel (I) wird an der Hinterseite der Gasdiffusionselektrode im Verhältnis zum Elektrolyten vorbeigeführt, wobei das Gas dann durch die Poren der Gasdiffusionselektrode dringen kann und das Produkt hinten abgeführt werden kann. Bevorzugt ist der Gasfluss beim Hinterströmen umgekehrt zum Fluss des By using a gas diffusion electrode, it is mög ¬ Lich to establish a three-phase electrode. For example, a gas can be guided from behind to the front side of the electrically active electrode to carry out an electrically ¬ chemical reaction there. According to certain embodiments, the gas diffusion electrode may also only to be traversed, ie a gas such as the alkyne of the chemical formula (I) is passed past the rear side of the gas diffusion electrode in relation to the electrolyte, wherein the gas can then penetrate through the pores of the gas diffusion electrode and the product can be discharged behind. Preferably, the gas flow during the backflow is reversed to the flow of
Elektrolyten, damit eventuell durchgedrückte Flüssigkeit ab¬ transportiert werden kann. Durch eine hinreichende Porosität der Gasdiffusionselektrode sind also zwei Betriebsmodi möglich: Eine Zellvariante ermög¬ licht ein direktes aktives Durchströmen der GDE mit einem Gas. Die entstehenden Produkte werden durch den Electrolytes, so that any squeezed liquid can be transported from ¬ . By a sufficient porosity of the gas diffusion electrode so two modes of operation are possible: A cell variant made ¬ light direct active flow through the GDE with a gas. The resulting products are made by the
Katholytausgang aus der Elektrolysezelle entfernt und können in einem nachfolgenden Phasenabscheider vom flüssigen Elektrolyten getrennt werden. Die zweite Zellvariante beschreibt eine Betriebsweise, in der das Gas im hinteren Bereich der GDE durch einen angepassten Gasdruck strömt. Der Gasdruck sollte hierbei so gewählt werden, dass dieser gleich dem hydrostatischen Druck des Elektrolyten in der Zelle ist, sodass kein Elektrolyt durchgedrückt wird. Katholytausgang removed from the electrolysis cell and can be separated from the liquid electrolyte in a subsequent phase separator. The second cell variant describes a mode of operation in which the gas flows in the rear region of the GDE through an adapted gas pressure. The gas pressure should be chosen so that it is equal to the hydrostatic pressure of the electrolyte in the cell, so that no electrolyte is pushed through.
Um weiterhin einen Durchtritt von Elektrolyt durch die Gas¬ diffusionselektrode zu verhindern, kann auf der dem Elektro- lyten abgewandten Seite der Gasdiffusionselektrode eine Folie aufgebracht sein, um den Elektrolyten am Übertritt zum Gas zu hindern. Die Folie kann hierbei geeignet vorgesehen sein und ist beispielsweise hydrophob. In bestimmten Ausführungsformen weist die Elektrolysezelle eine Membran auf, welche den Kathodenraum und den Anodenraum der Elektrolysezelle trennt, um eine Vermischung der Elektro¬ lyten zu verhindern. Die Membran ist hierbei nicht besonders beschränkt, sofern sie den Kathodenraum und den Anodenraum trennt. Insbesondere verhindert sie im Wesentlichen einenFurther, in order to prevent passage of electrolyte through the gas diffusion electrode ¬, a film can be deposited on the side remote from the electrolyte side of the gas diffusion electrode to prevent the electrolyte on conversion to gas. The film may in this case be suitably provided and is, for example, hydrophobic. In certain embodiments, the electrolytic cell on a diaphragm which separates the cathode chamber and the anode chamber of the electrolytic cell to prevent a mixing of the electric ¬ LYTEN. The membrane is not particularly limited here, as long as it separates the cathode space and the anode space. In particular, it essentially prevents one
Übertritt der an Kathode und/oder Anode entstehenden Gase zum Anoden- bzw. Kathodenraum. Eine bevorzugte Membran ist eine Ionenaustauschmembran, beispielsweise auf Polymerbasis. Neben Polymermembranen können auch keramische Membranen Verwendung finden . Conversion of the resulting at cathode and / or anode gases to the anode or cathode compartment. A preferred membrane is an ion exchange membrane, for example polymer based. Next Polymer membranes can also be used ceramic membranes.
Ebenso ist das Material der Anode nicht besonders beschränkt und hängt in erster Linie von der erwünschten Reaktion ab. Beispielhafte Anodenmaterialien umfassen Platin bzw. Platinlegierungen, Palladium bzw. Palladiumlegierungen und Glaskohlenstoff. Weitere Anodenmaterialien sind auch leitfähige Oxi¬ de wie dotiertes bzw. undotiertes Ti02, Indiumzinnoxid (ITO), Fluor dotiertes Zinnoxid (FTO) , Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) , Iridiumoxid, etc. Ggf. können diese katalytisch akti¬ ven Verbindungen auch nur in Dünnfilmtechnologie oberflächlich aufgebracht sein, beispielsweise auf einem Titanträger. Daneben sind die Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) und eine erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I) nicht besonders beschränkt. Das Alkin der chemischen Formel (I) kann beispielsweise aus einem Vor¬ ratsbehälter oder sonstigen Behälter wie auch aus einem sepa- raten Reaktor, etc. als Quelle stammen. Als erste Zuführeinrichtung können beispielsweise Rohre, Schläuche, etc. dienen. Insbesondere sind die Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) und die erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I) an das jeweilige Alkin hinsichtlich der verwendeten Materialien angepasst, so dass sie nicht durch das Alkin der chemischen Formel (I) angegriffen werden. Likewise, the material of the anode is not particularly limited and depends primarily on the desired reaction. Exemplary anode materials include platinum or platinum alloys, palladium or palladium alloys, and glassy carbon. Other anode materials are also conductive Oxi ¬ de such as doped or undoped Ti0 2, indium tin oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), iridium oxide, etc. If necessary, these catalytic acti ¬ ven compounds may be deposited on the surface even in thin-film technology, for example on a titanium carrier. Besides, the source of the alkyne of the chemical formula (I) and a first feeding means (2) of the alkyne of the chemical formula (I) are not particularly limited. The alkyne of the chemical formula (I) may be derived for example from a pre ¬ storage container or other container as well as of a sepa- rate reactor, etc. as a source. As a first feeder, for example, pipes, hoses, etc. are used. In particular, the source of the alkyne of the chemical formula (I) and the first feed means (2) of the alkyne of the chemical formula (I) are adapted to the particular alkyne with respect to the materials used so that they are not affected by the alkyne of the chemical formula ( I) are attacked.
Daneben können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere Zuführeinrichtungen, z.B. für Elektrolyt, Abführeinrichtun- gen, Pumpen, Heiz- und/oder Kühleinrichtungen, etc. vorgesehen sein. In addition, in the device according to the invention further feeding devices, e.g. be provided for electrolyte, discharge devices, pumps, heating and / or cooling devices, etc.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen ist die kupferhaltige Elektrode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet, wobei die erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I) das Alkin der chemischen Formel (I) der Gasdiffusi¬ onselektrode zuführt. Die obigen Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. According to certain embodiments, the copper-containing electrode is designed as a gas diffusion electrode, wherein the first feed device (2) for the alkyne of the chemical formula (I) feeds the alkyne of the chemical formula (I) of the Gasdiffusi ¬ onselektrode. The above embodiments, refinements and developments can, if appropriate, be combined with one another as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.
Die Erfindung wird im Anschluss anhand einiger beispielhafter Ausführungsformen dargestellt, die diese jedoch nicht The invention will be illustrated below with reference to some exemplary embodiments, but not the latter
einschränken . restrict.
Beispiele Examples
Die vier folgenden Ausführungsbeispiele wurden in einer H- Zelle durchgeführt. Dabei wurde eine 2 cm2 große solide Cu Elektrode verwendet, die mit hochreinem Cu aus einer CuSC^- Lösung beschichte wurde. Es wurde ein konstanter Strom von 30 mA angelegt. Als Elektrolyt wurde 0. IM wässrige KBr verwen¬ det. Um Einflüsse von der Anode zu vermeiden wurde der Ano¬ denraum durch eine Nafion N 117 Membran abgetrennt. The four following embodiments were performed in an H cell. A 2 cm 2 solid Cu electrode was used, which was coated with high purity Cu from a CuSC ^ solution. A constant current of 30 mA was applied. As the electrolyte, KBr was USAGE ¬ det 0. IM aqueous. In order to avoid influences from the anode, the ano ¬ denraum was separated by a Nafion N 117 membrane.
Beispiel 1: Reduktion von Ethin: Example 1: Reduction of ethyne:
Nach einer 10 minütigen Einfahrphase, bei der die Zelle mit Argon gespült wurde, wurde ein Strom von 7,7 ml/min Ethin durch die Zelle geleitet. Dabei ergab sich eine Stromausbeute von 60% für die Reduktion von Ethin zu Ethen. Eine Überreduktion zu Ethan trat mit einer maximalen Stromausbeute von 1.5% auf. Der Rest des Stromes führte zu einer Entstehung von Was¬ serstoff. Der Gesamtumsatz des Gasstromes betrug etwa 1.5%. After a 10 minute run-in period, purging the cell with argon, a stream of 7.7 ml / min of ethyne was passed through the cell. This resulted in a current efficiency of 60% for the reduction of ethyne to ethene. Overreduction to ethane occurred with a maximum current efficiency of 1.5%. The rest of the river led to emergence of what ¬ serstoff. The total conversion of the gas stream was about 1.5%.
Beispiel 2: Reduktion von Propargyl-Alkohol : Example 2: Reduction of propargyl alcohol:
Die Zelle wurde während des gesamten Experimentes mit Argon gespült. Nach einer 10 minütigen Einfahrphase wurde Propargyl-Alkohol (32 μΐ, 0.55 mmol) dem Elektrolyten zuge¬ setzt. Auf Basis dieser Einwaage ergibt sich eine The cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute break-in period was Propargyl alcohol (32 μΐ, 0.55 mmol) the electrolyte ¬ added . Based on this weight results in a
Äquivalenzladung von 3.7 F/mol (2 F/mol nötig) . Trotz des deutlichen Ladungsüberschusses traten nur Spuren von Propanol auf. Der Umsatz von Propargyl-Alkohol zu Allyl-Alkohol hinge¬ gen war vollständig. Bei der Anfangskonzentration von 0.1 M Propargyl-Alkohol trat zudem keine Wasserstoffentwicklung mehr auf. Die Stromeffizienz für die Umsetzung von Propargyl- Alkohol zu Allyl-Alkohol liegt daher bei hohen Konzentratio- nen deutlich über 90%. Equivalent charge of 3.7 F / mol (2 F / mol required). Despite the significant charge surplus, only traces of propanol appeared. Sales of propargyl alcohol to allyl alcohol executed ¬ gen was complete. At the initial concentration of 0.1 M propargyl alcohol also no more hydrogen evolution occurred. The current efficiency for the conversion of propargyl alcohol to allyl alcohol is therefore well above 90% at high concentrations.
Beispiel 3: Reduktion von 1-Butin-l-ol : Die Zelle wurde währen des gesamten Experimentes mit Argon gespült. Nach einer 10 minütigen Einfahrphase wurde Butin-1- ol (32 μΐ, 0,43 mmol) dem Elektrolyten zugesetzt. Die Umset¬ zung von Butin-l-ol zu Crotyl-Alkohol war vollständig. Die anfängliche Stromausbeute liegt über 90 %. Trotz einer ver- wendeten Äquivalenzladung von 4.8 F/mol (2 F/mol nötig) konnte keine Überreduktion zu n-Butanol beobachtet werden. Example 3: Reduction of 1-butyn-1-ol: The cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute run-in phase, butyn-1-ol (32 μΐ, 0.43 mmol) was added to the electrolyte. The imple ¬ Zung Butin-l-ol to crotyl alcohol was complete. The initial current efficiency is over 90%. Despite a used equivalent charge of 4.8 F / mol (2 F / mol required), no overreduction to n-butanol was observed.
Vergleichsbeispiel 1: Reduktion von Allyl-Alkohol: Die Zelle wurde währen des gesamten Experimentes mit Argon gespült. Nach einer 10 minütigen Einfahrphase wurde Allyl- Alkohol (32 μΐ, 0.47 mmol) zugesetzt. Im Gegensatz zu den Alkinen konnten weder hohe Stromausbeuten noch hoher Umsatz festgestellt werden. Nach einer Äquivalenzladung von 4.4 F/mol konnte lediglich ein Umsatz von 34 % festgestellt werden . Comparative Example 1 Reduction of Allyl Alcohol: The cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute run-in, allyl alcohol (32 μΐ, 0.47 mmol) was added. In contrast to the alkynes, neither high current yields nor high sales were observed. After an equivalent charge of 4.4 F / mol only a conversion of 34% could be determined.
Vergleichsbeispiel 2: Reduktion von Kalium-Fumarat : Comparative Example 2 Reduction of Potassium Fumarate
Die Zelle wurde währen des gesamten Experimentes mit Argon gespült. Nach einer 10 minütigen Einfahrphase wurden The cell was purged with argon throughout the experiment. After a 10 minute break-in period were
Fumarsäure (58.7 mg, 0.51 mmol) sowie KOH (200 μΐ 5M, lmmol) zugegeben. Die Umsetzung zu Kalium-Succinat nach einer Äquivalenzladung von 4.1 F/mol war vollständig. Die anfängliche Stromausbeute lag über 90%. Fumaric acid (58.7 mg, 0.51 mmol) and KOH (200 μM 5M, lmmol) were added. The conversion to potassium succinate after a Equivalence charge of 4.1 F / mol was complete. The initial current efficiency was over 90%.
Unter Verwendung einer Gasdiffusionselektrode konnten die Ergebnisse einer Elektrohydrierung von Ethin auf einer soliden Cu Elektrode und 15mA/cm2 bei einer Stromdichte von 170mA/cm2 nachgestellt werden. Using a gas diffusion electrode, the results of an electrohydrogenation of ethyne on a solid Cu electrode and 15mA / cm 2 at a current density of 170mA / cm 2 could be readjusted.
Die sich aus den Beispielen ergebenden Reaktionen sind somit wie folgt: The reactions resulting from the examples are thus as follows:
Ethin Einen Elten nbhtEthin One Elten nbht
Crolyl-Alfc n-Butonol Crolyl-Alfc n-butanol
Die gute Selektivität kommt, wie hier gezeigt durch die ge¬ ringe Reaktivität gegenüber der Elektrohydrierung mit Cu- Elektroden zustande. Elektronisch deaktivierte interne Alkene wie Crotyl-Alkohol zeigten sich inert gegenüber Überredukti¬ on . In den Experimenten hat sich gezeigt, dass das erfindungsge¬ mäße Verfahren eine hohe Selektivität und Aktivität zeigt. The good selectivity is shown here about through the ge ¬ rings reactivity to the Elektrohydrierung with copper electrodes. Electronically deactivated internal alkenes such as crotyl alcohol were inert to Überredukti ¬ on. In the experiments it has been shown that the erfindungsge ¬ Permitted process exhibits a high selectivity and activity.
Ethin, Propargyl-Alkohol und 2-Butin-l-ol wurden als Substra¬ te evaluiert. Keines der 3 Substrate ist als aktiviert zu be- trachten, was die hohe Aktivität des katalytischen Prozesses unterstreicht. Propargyl-Alkohol und 2-Butin-l-ol sind als schwierige Substrate zu betrachten, da beide elektronenschie¬ bende Substituenten tragen. 2-Butin-l-ol ist zudem ein internes Alkin, das zudem sterisch gehindert ist. Die hier beschriebene Alkin-Hydrierung kann neben den Acetylene, propargyl alcohol and 2-butyne-l-ol were evaluated as Substra ¬ te. None of the 3 substrates is considered to be activated, which underlines the high activity of the catalytic process. Propargyl alcohol and 2-butyn-1-ol are known as to consider difficult substrates, since both carry electron-donating ¬ substituents. In addition, 2-butyn-1-ol is an internal alkyne that is also sterically hindered. The alkyne hydrogenation described here can be used in addition to
hochvolumigen Verbindungen auch für die elektroorganische Synthese von SpezialChemikalien, wie Wirkstoffe oder Futteradditive, verwendet werden. high-volume compounds are also used for the electro-organic synthesis of specialty chemicals such as drugs or feed additives.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, 1. A process for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, where R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals,
wobei die Verbindung der chemischen Formel (I) an einer kup- ferhaltigen Elektrode hydriert wird. wherein the compound of the chemical formula (I) is hydrogenated on a copper-containing electrode.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der anorganische und/oder organische Rest ausgewählt ist aus -H, -D, substitu¬ ierten oder nicht substituierten Alkyl-, Alkenyl- Alkinyl- und/oder Arylresten, -OH, -OR*, -SH, -SR*, -NH2, -NR*R* , -COOH, -COOR*, -CHO, -COR*, -PH2, -PR*R*, -F, -Cl, -Br, -I, -NO, und -NO2, wobei R* und R* organische und/oder anorganische Reste darstellen . 2. The method of claim 1, wherein the inorganic and / or organic radical is selected from -H, -D, substituted ¬ or unsubstituted alkyl, alkenyl, alkynyl and / or aryl radicals, -OH, -OR *, - SH, -SR *, -NH 2 , -NR * R *, -COOH, -COOR *, -CHO, -COR *, -PH 2 , -PR * R *, -F, -Cl, -Br, - I, -NO, and -NO2, where R * and R * represent organic and / or inorganic radicals.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei weder R noch RA -H oder -D sind. 3. The method of claim 1 or 2, wherein neither R nor R A are -H or -D.
4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Alkin der chemischen Formel (I) keine elektronenziehenden Reste aufweist. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the alkyne of the chemical formula (I) has no electron-withdrawing radicals.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die elektronenziehenden Reste ausgewählt sind aus -COOH, -COOR*, und fluorierten Al¬ kyl- und/oder Arylresten. 5. The method of claim 4, wherein the electron-withdrawing radicals are selected from -COOH, -COOR *, and fluorinated Al ¬ kyl- and / or aryl radicals.
6. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das Alkin der chemischen Formel (I) keine weiteren reduzierbaren funktionellen Gruppen außer der Dreifachbindung aufweist. A process according to any one of the preceding claims wherein the alkyne of the chemical formula (I) has no further reducible functional groups other than the triple bond.
7. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Hydrierung mit einem Protonendonor ausgeführt wird, der ausgewählt ist aus Wasser und Alkoholen mit 1 bis 20 C- Atomen . A process according to any one of the preceding claims, wherein the hydrogenation is carried out with a proton donor selected from water and alcohols having 1 to 20 carbon atoms.
8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die kupferhaltigen Elektrode als Gasdiffusionselektrode aus¬ gebildet ist, wobei das Alkin der chemischen Formel (I) gas¬ förmig vorliegt. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the copper-containing electrode is formed as a gas diffusion electrode ¬ , wherein the alkyne of the chemical formula (I) is present in gas ¬ form.
9. Verwendung einer kupferhaltigen Elektrode zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, 9. Use of a copper-containing electrode for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten. wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals.
10. Vorrichtung zur partiellen elektrochemischen Hydrierung von Alkinen der chemischen Formel (I) zu Alkenen, 10. Apparatus for the partial electrochemical hydrogenation of alkynes of the chemical formula (I) to alkenes,
wobei R und RA ausgewählt sind aus anorganischen und/oder organischen Resten, umfassend eine Elektrolysezelle (1) umfassend eine kupferhaltige Elekt¬ rode, die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen For¬ mel (I) zu Alken zu reduzieren; wherein R and R A are selected from inorganic and / or organic radicals, comprising an electrolytic cell (1) comprising a copper-containing Elekt ¬ rode, which is adapted to reduce the alkyne of the chemical For ¬ mel (I) to alkene;
eine Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) (3), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemischen Formel (I) be¬ reitzustellen; und eine erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I), die dazu ausgebildet ist, das Alkin der chemi¬ schen Formel (I) von der Quelle für das Alkin der chemischen Formel (I) der Elektrolysezelle zuzuführen. a source of the alkyne of the chemical formula (I) (3), which is designed to provide the alkyne of the chemical formula (I) be ¬ ; and a first feed means (2) for the alkyne of the chemical formula (I), which is adapted to supply the alkyne of chemi ¬'s formula (I) from the source of the alkyne of chemical formula (I) of the electrolytic cell.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die kupferhaltige Elektrode als Gasdiffusionselektrode ausgebildet ist, wobei die erste Zuführeinrichtung (2) für das Alkin der chemischen Formel (I) das Alkin der chemischen Formel (I) der Gasdiffu- sionselektrode zuführt. 11. The device according to claim 10, wherein the copper-containing electrode is formed as a gas diffusion electrode, wherein the first supply means (2) for the alkyne of the chemical formula (I), the alkyne of the chemical formula (I) of the Gasdiffu- sionselektrode supplies.
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