EP4377497A2 - Method for the selective catalytic hydrogenation of organic compounds, and electrode and electrochemical cell for said method - Google Patents

Method for the selective catalytic hydrogenation of organic compounds, and electrode and electrochemical cell for said method

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EP4377497A2
EP4377497A2 EP22761071.4A EP22761071A EP4377497A2 EP 4377497 A2 EP4377497 A2 EP 4377497A2 EP 22761071 A EP22761071 A EP 22761071A EP 4377497 A2 EP4377497 A2 EP 4377497A2
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EP
European Patent Office
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transition metal
metals
metal chalcogenide
catalyst
electrode
Prior art date
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Pending
Application number
EP22761071.4A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Daniel SIEGMUND
Ulf-Peter APFEL
Kai JUNGE PURING
Kevinjeorjios PELLUMBI
Julian Tobias KLEINHAUS
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Ruhr Universitaet Bochum
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Ruhr Universitaet Bochum
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Ruhr Universitaet Bochum filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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    • C25B3/20Processes
    • C25B3/25Reduction

Definitions

  • the application relates to a method for the electrocatalytic hydrogenation of organic chemical compounds using an electrode which has a transition metal chalcogenide, essentially a sulfide, selenide and/or telluride, as the catalytically active layer.
  • the application also relates to an electrode for electrocatalytic hydrogenation and an electrochemical cell for carrying out said reaction.
  • the composition of the catalysts used can be varied and adjusted over a wide range, so that the catalysts can be used to adjust an increased selectivity with regard to multiply reducible compounds and various hydrogenatable functional groups.
  • the electrocatalytic hydrogenation according to the application can in principle be used for any chemical synthesis, for example in the hydrogenation of unsaturated organic compounds. In particular, the synthesis of fine chemicals, the hydrogenation of vegetable oils in fat hardening in the food industry, the upgrading of biomass, the hydrogenolytic elimination of corresponding protective groups and the storage of hydrogen in the form of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) should be mentioned.
  • LOHCs liquid organic hydrogen carriers
  • the hydrogenation of organic compounds can be carried out using the following processes: hydrogenation of organic compounds using stoichiometric hydride transfer agents, hydrogenation in thermal heterogeneously or homogeneously catalyzed processes and electrocatalytic hydrogenation reactions.
  • This type of hydrogenation by means of stoichiometric hydride transfer agents is used in particular in the reduction of multiple CO bonds in small-scale batch processes or on a laboratory scale and requires the resulting products to be separated off stoichiometric waste products.
  • waste products may be of environmental concern (e.g. cyanoboron compounds).
  • thermal-catalytic hydrogenations with elemental hydrogen in the presence of a suitable catalyst are associated with the inherent disadvantage of the need for upstream hydrogen generation.
  • many hydrogenation reactions must be run at elevated temperatures and pressures to ensure adequate conversion. This not only represents an additional input of energy, but also places increased demands on process reliability.
  • the only suitable catalysts for homogeneously catalyzed reactions are often expensive transition metal complexes based on Pt, Pd, Ru, Ir or Rh. Nevertheless, for the selective hydrogenation of more complex systems, e.g. in asymmetric hydrogenation, mostly thermal-catalytic hydrogenations with noble metal catalysts have to be used. Noble metals are also frequently used in heterogeneously catalyzed reactions.
  • Noble metal-free catalysts are based on finely divided, small-particulate transition metals such as Ni. In contrast to the noble metals, however, increased process pressures and possibly increased temperatures are required in order to achieve a sufficient degree of hydrogenation. A disadvantage of these systems is their severely limited selectivity in the hydrogenation of polyunsaturated compounds. In addition, the heterogeneous catalysts are often susceptible to catalyst poisons. This results in a limitation of the potentially hydrogenatable substrates.
  • a relatively new type of hydrogenation is electrocatalysis.
  • the electrocatalytic hydrogenation of unsaturated organic substrates through the use of electrodes based on Raney Ni on stainless steel is known (US2014110268 A).
  • Electrocatalytic conversion with metal particles on porous carbon substrates has also been described (US2015008139 A).
  • Another disadvantage is the use of (noble metal) catalysts, which have a low tolerance of catalyst poisons, are expensive and whose production is fraught with environmental concerns.
  • US20190276941 A1 discloses the selective hydrogenation of alkynes to alkenes on copper electrodes. In this case, it is not possible to adapt the catalyst to difficult substrates such as electron-deficient alkynes.
  • a noble metal-free electrocatalytic system is also known from electrocatalytic water splitting.
  • WO 2020/169806 describes the use of pentlandites as electrocatalysts for the electrolytic production of H 2 .
  • the present invention is based on the object of specifying a process for the electrocatalytic lydration of organic compounds with which the disadvantages of the prior art can be overcome.
  • the electrocatalyst used should have a high selectivity and adaptability to complex organic substrates, work as energy-efficiently as possible, deliver the highest possible yields and/or also be free of noble metals if possible;
  • the method according to the application for the electrocatalytic lysing of organic compounds is characterized in that the electrode used comprises or consists of a transition metal chalcogenide as an electrocatalyst, the transition metal chalcogenide being a sulfide, a selenide or a telluride (or mixtures of two or three of the mentioned chalcogenides such as sulfoselenides) is.
  • the electrode (particularly the cathode) used for the catalytic hydrogenation comprises or consists of this transition metal chalcogenide as a catalyst.
  • the lydration takes place in such a way that an organic compound to be reduced (in particular to be hydrogenated) in an electrochemical cell (which, in addition to a cathode and an anode, contains a liquid and/or solid electrolyte has) is reduced at the cathode.
  • the hydrogenation can take place either continuously (in particular in a flow cell) or discontinuously (in a batch cell).
  • a reducible organic compound is understood to mean, in particular, organic compounds which have at least one aromatic or heteroaromatic structural unit, but in particular at least one multiple bond. Mention should be made here in particular of CC multiple bonds, aromatics, heterocycles, CO multiple bonds, CN multiple bonds, NO 2 groups and NN multiple bonds or combinations of compounds with two or more of the groups/bonds mentioned. Both double bonds and triple bonds can be considered here; both low molecular weight substances and polymers are suitable.
  • the organic compound to be reduced can be liquid, it can be present at least partially in dissolved form in a solvent and in both cases it can also be partially present as a solid (if it is ensured that at least part has gone into solution or is liquid).
  • the reduction of gaseous compounds is also conceivable, in particular if these are at least partially in dissolved form.
  • the state of aggregation at room temperature serves as a benchmark here.
  • the electrocatalytic reduction itself usually takes place at temperatures between -78 and 100.degree.
  • the hydrogenation reactions according to the invention are usually endothermic and atomic hydrogen present on the catalyst surface serves as the hydrogenating agent according to current understanding, there is in principle no restriction with regard to the upper limit of the temperature.
  • the specified upper limit of the temperature at 100 °C therefore has economic reasons. Usually the temperature will be between 0°C and 100°C and often between 20°C and 80°C.
  • the reactions are usually carried out under atmospheric pressure.
  • the reduced organic compound is also usually present in the aforementioned aggregate states, i.e. in particular as a dissolved substance or as a liquid (in principle, however, the reduced compound can also precipitate out of the solvent as a solid, which in special cases can be determined by the choice of solvent or solvent mixture in addition to the choice of catalyst can serve the reduction towards a specific product).
  • current densities can be achieved in the method according to the invention which are in particular at least 10 mA cm -2 and in particular greater than 100 mA cm -2 .
  • transition metal sulfides, selenides and tellurides used as catalysts have the property of selectively reducing or hydrogenating organic compounds.
  • the catalytic activity is based in particular on the presence of the chalcogenide and only secondarily on the metal (cation).
  • the chalcogenides according to the invention are understood as meaning salt-like compounds in which the chalcogen is present as an anion and the transition metal is present as cation.
  • One route for preparing these chalcogenides is typically either from mixtures of powders of the elements, or from powders of the elements and metal chalcogenides (the latter, for example, to adjust a certain stoichiometry); typically, in this and alternative processes, chalcogenides with a substantially continuous chalcogenide structure are also present;
  • the chalcogenides are essentially present as the stoichiometric chalcogenide, where essentially means that within the scope given two paragraphs below, some non-stoichiometry can also be present.
  • a production method can also be used in which only the surface of the catalyst particles involved in the catalytic process carries a sulfide, selenide and/or telluride layer, which was obtained, for example, by reacting the elementary metal particles with the chalcogen.
  • a process optimization for the formation of a desired product can therefore take place.
  • high Faraday efficiencies can be achieved with the catalysts mentioned. In contrast to the well-known flydration processes, it is not necessary to use a stoichiometric reducing agent and waste products are avoided.
  • the supply of gaseous hydrogen can also be dispensed with; an active reduction takes place directly on the catalyst surface without the intermediate step of the formation of H 2 .
  • the protons required for this can in particular be made available by a protic solvent or can be supplied to the cathodic half cell via the anodic half cell and the oxidation process taking place there with the formation of protons via a membrane arranged between the half cells and/or a solid electrolyte.
  • the catalysts according to the application are significantly cheaper and more sustainable and also have (in electrocatalytic reactions) a high activity.
  • the systems according to the invention can also be used to hydrogenate organic compounds of low purity or to carry out flydrations of organic compounds which contain sulfur. This is also due to the fact that the known catalyst poisons for noble metal catalysts or for other typical flydriation catalysts (such as Fi 2 S) do not pose a problem with the catalysts used according to the invention.
  • the transition metal chalcogenide for the electrocatalytic flydration is selected from compounds which essentially have the empirical formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4 , M 9 X 8 or M" 6 M k correspond to X
  • M is selected from a transition metal of the 4th, 5th or 6th period, the metals of the 4th period being preferred, in particular the metals of the 4th period of groups 4 to 10, with a lower priority—for the reasons explained above these are also the metals of the 5th or 6th period that are not noble metals.
  • metals from the 4th period should be preferred in case of doubt.
  • M can also be a mixture of several of the metals mentioned. Often the metal M will be Fe, Co and/or Ni or will comprise at least one or more of these metals.
  • the metal M" is a main group metal, in particular an alkali metal or alkaline earth metal; M" can also stand for a mixture of two or more main group metals.
  • X stands for S, Se or Te and for mixtures of the chalcogenides mentioned and X ′ for a halide, where in the case of the compound class M′′ 6 M k X m X′ n k, m and n stand for decimal numbers, where 24 ⁇ k ⁇ 25 and 26 ⁇ m ⁇ 28 and 0 ⁇ n ⁇ 1.
  • the sulfides and the sulfoselenides are often preferred for reasons of toxicity alone.
  • the use of transition metal chalcogenides in particular seems to be particularly advantageous, in which either the transition metal in the crystal structure can assume two different oxidation states and/or the chalcogenide X does not exclusively have a charge as X 2" can be attributed, as is the case, for example, in the presence of X 2 2" .
  • X' m are particularly suitable, especially when M is a metal of the 4th period of groups 4 to 10, and here in turn is in particular Fe, Co and/or Ni or comprises at least one or more of these metals.
  • the transition metal chalcogenides can also be not only pure compounds but also non-stoichiometric compounds or that doping can be present.
  • the molar ratio X/M can be changed (up or down) by up to 2%, occasionally up to 5% or in extreme cases even up to 10% compared to the integer ratio.
  • Doping with a non-metal for example with one or more of the elements B, O, N, P, As, F, CI,
  • One Doping can, for example, by the possible for all stoichiometries thermal production of the compounds MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4 , M 9 X 8 or M " 6 M k X
  • Oxygen doping can take place, for example, by the transition metal chalcogenide, for example pentlandite, being partially oxidized.
  • a partial surface modification takes place, so that a surface is then present on a backbone of the transition metal chalcogenide X, which also has oxygen in addition to the chalcogen X.
  • doping - for example with nitrogen or a halogen - can take place by the production from the elements a chemical compound of the non-metal to be doped is additionally added, for example a transition metal nitride or a transition smetal halide.
  • Transition metal chalcogenides have proven to be particularly suitable which essentially correspond to the formula M 9 X 8 and are at least partially crystallized in the pentlandite structure (according to the application, the relevant measurement is carried out by means of powder diffractometry (PXRD)).
  • PXRD powder diffractometry
  • M ' is selected from the same transition metals with the same preferred variants as specified above for M, and is selected in particular from one or more metals from the group consisting of Ag, Cu, Zn, Cr and Nb.
  • a, b, c and d are decimal numbers, but often integers or half-integers (where a stoichiometric compound and a non-stoichiometric compound as defined above can also be present), where a is a number from 0 to 7, in particular from 1 to 6, b is one is a number from 0 to 9, in particular from 0 to 8, c is a number from 0 to 2, in particular from 0 to 1 and d is a number from 0 to 6, in particular from 0 to 4.
  • the sum is usually a+b +c is a number from 0 to 9, in particular from 3 to 7.
  • a is a number from 1 to 6
  • b is a number from 0 to 8
  • c is a number from 0 to 1
  • d is a number from 0 to 4
  • the sum a+b+c is a number from 3 to 7.
  • the proportion of the transition metal chalcogenide M 9 X 8 that is present in the pentlandite structure is usually at least 80%, usually even at least 90%. Contents of this type can be achieved without any problems using the usual synthesis methods, in particular using the thermal production from the elements already mentioned.
  • only two of the three metals or essentially only two of the three metals iron, cobalt and nickel are contained in the compound Fe9_ abc Ni a Co b M' c S8- d Se d and no metal M 1 or essentially no metal M1 .
  • the proportion of the metal not present or of the metal M 1 , based on the metal is less than 5 mol %.
  • the electrocatalytic reduction can be carried out both in liquid and solid electrolyte cells, and in particular also in polymer electrolyte cells.
  • the organic compound to be hydrogenated is usually present in an aqueous or organic solution.
  • polymer electrolyte cells also make it possible to fly the organic compound in pure form or as a solution.
  • the solvent can also contain a fat salt - for example, if water or an alcohol is used as the solvent; in the case of polymer electrolyte cells, fat salts are often not used.
  • the flydriding can take place both in a discontinuous batch operation and in a continuous flow operation.
  • the method according to the invention can also be further developed in an advantageous manner if an electrode is used which is configured as described in more detail below and which in particular has one or more of the advantageous configurations of the electrode described below.
  • An electrode for the electrocatalytic flydriding of organic compounds in an electrochemical cell comprises, in addition to any electrical contacting of the electrode that is present and belonging to the electrode, a carrier material and a catalyst layer arranged at least on part of the surface of the carrier material. It goes without saying that the contacting (which can take place, for example, via a metal and is often glued on or pressed on) is therefore not part of the carrier material according to the application.
  • the catalyst layer contains or consists of a transition metal chalcogenide as a catalyst, the transition metal chalcogenide being selected from sulfides, selenides and/or tellurides.
  • the fact that the catalyst layer is arranged “on” the carrier material can mean here and below that the catalyst layer is arranged or applied directly in direct mechanical and/or electrical contact on the carrier material. Furthermore, an indirect contact can also be referred to, in which further layers or areas are arranged between the catalyst layer and the support material.
  • An electrode according to the application for the electrocatalytic process has in particular one or more of the following features:
  • the catalyst layer comprises a polymeric binder, in particular a polymeric non-ion-conducting binder, or consists of the two components.
  • the catalyst layer also includes an additive or consists of the two (or three components if a binder is present).
  • the electrode has at least partially porous areas.
  • the electrode has a catalytically active surface of at least 0.2 cm 2 .
  • the catalyst layer comprises a polymeric binder, in particular a polymeric binder that does not belong to the ionic polymers.
  • This binder leads to improved relaxation of the individual Catalyst particles together usually leads to improved mechanical stability and/or easier processing of the catalyst material.
  • better adhesion to the carrier material can also be achieved.
  • a binder can be used advantageously if the catalyst layer can be applied to the carrier material in the form of inks, in particular sprayed on, or if the catalyst material is used in the form of a hot-pressable mass.
  • Hydrophobic binders are particularly suitable as binders.
  • these can be selected from polyolefins, fluorinated polyolefins, copolymers with polyolefins and/or fluorinated polyolefins and polymer blends which contain polyolefins and/or fluorinated polyolefins, all of which are preferably non-ion-conducting polymers.
  • chlorinated polymers or copolymers e.g. PVC or PVC-containing copolymers
  • the polyolefins and fluorinated polyolefins are selected in particular from the group consisting of PE, PP, PVDF, FEP and PTFE.
  • the proportion of binder in the catalyst layer is usually 1 to 90% by weight, in particular 5 to 80% by weight, for example 10 to 25% by weight. At levels above 25% by weight, the efficiency of the reaction in terms of the yields achieved often decreases. Adequate adhesion of the catalyst particles to one another and to any support material present can usually be achieved from 1% by weight and in particular from 5% by weight.
  • the catalyst layer comprises an additive in addition to the transition metal chalcogenide and a binder that may be present.
  • the additive can be selected in particular from substances to increase the electrical conductivity (e.g. carbon black, graphite or carbon nanotubes), substances to increase the ionic conductivity (e.g. ionomers such as Nafion, Sustainion, Piperion, Aemion, Durion, Orion), substances to increase the thermal conductivity, substances to increase corrosion resistance, substances to modify hydrophobicity and substances to improve adsorption of the organic compound to be hydrogenated (e.g. carbon black and activated carbon).
  • substances to increase the electrical conductivity e.g. carbon black, graphite or carbon nanotubes
  • substances to increase the ionic conductivity e.g. ionomers such as Nafion, Sustainion, Piperion, Aemion, Durion, Orion
  • substances to increase the thermal conductivity substances to increase corrosion resistance
  • additives to improve the mechanical Properties and / or additives to improve the adsorption properties are included.
  • layers to improve the adhesion of the catalyst layer to the support material or layers to improve the electrical conductivity are conceivable.
  • An electrically conductive additive in the catalyst layer can also lead to a better distribution of the active centers.
  • a further layer can also be applied to the side of the catalyst layer facing away from the support material, for example to improve the corrosion resistance or to change the hydrophilic or lipophilic properties of the surface.
  • the catalyst layer can be arranged on the support material in various ways.
  • the catalyst layer can be sprayed on (in particular by means of an ink); however, it can also be applied by dipping, squeegeeing, printing processes, decal processes or thermal pressing, so that functional electrode assemblies are created.
  • the electrical contact can be made both on the front and on the back, i. H. the contact can be made either on the support material or on the catalyst layer itself.
  • the catalyst particles used for the catalyst layer can in principle have any particle size. However, particles with a d90 value of less than 10 ⁇ m, determined by means of a sieving method, have often proven to be advantageous because larger particles are often more difficult to process, particularly when they are used in inks to be sprayed.
  • a porous material can be used as the carrier material.
  • a porous material it can be achieved that the active surface of the catalyst layer (which is not a real layer but a coating in the inner surface, ie pores, cavities, interstices and the like) can be increased significantly.
  • Such an enlarged surface can be obtained in particular if the porous support material is infiltrated with the catalyst ink, for example by dipping methods or by spraying on.
  • a porous carrier material is not just a carrier material with pores (in particular with a significant proportion of macropores) understood, wherein the porous carrier material can also have an open-pored structure, but also a carrier material in the form of a felt, in the form of a fabric or in the form of a mesh, for example a nickel mesh. Grid-like structures are also conceivable.
  • the carrier material is porous, this will usually be a flat structure, and in particular a carrier material can be used which is a metal, a metal oxide, a polymer, a ceramic, a carbon-based material, a composite material or a mixture such substances.
  • a carrier material can be used which is a metal, a metal oxide, a polymer, a ceramic, a carbon-based material, a composite material or a mixture such substances.
  • the support material itself is not catalytically active.
  • the carrier material will often have electrical conductivity.
  • the flat carrier material can be present, for example, as a woven fabric, expanded metal, felt or foil. It can also be a membrane (particularly in the case of electrodes of a polymer electrolyte cell) or a filter film (which consists, for example, of a polymer or metal), e.g. a PTFE membrane or an Ag filter.
  • the catalyst layer has an area of at least 0.2 cm 2 , in particular at least 1 cm 2 , preferably 1 cm 2 to 4 m 2 .
  • This can be a continuous surface; however, the layer or the coating can also be interrupted or divided into several separate areas of the carrier material.
  • the values given are for the outer surface and only the surface that does not face the carrier material (essentially this is the side facing away from the carrier material); the inner surface of a porous carrier material is not included in the calculation, ie the mathematical calculation is only based on the outer dimensions, in the simplest case of height, length and width. According to the application, electrodes of any size can therefore be produced, with surfaces in the square meter range also being able to be realized for large-scale technical application; for smaller quantities, areas of 1 cm 2 or less can also be useful.
  • the catalyst layer of the electrode is formed in such a way that the catalyst loading is 0.1-500 mg cm -2 , in particular 1-250 mg cm -2 , for example 2-10 mg cm -2 .
  • the catalyst loading can be measured are measured by weight before and after application of the catalyst layer to the support material. From areas of 0.5 to 1 mg cm -2 , the active centers can usually be distributed, with which a significant conversion can be achieved. With a catalyst loading of more than 250 mg cm -2 only a small additional effect is achieved.
  • the layer thickness is also important for the number of active centers, although thicker layers can also deliver good results if a conductivity additive is added. In principle, however, it is possible to provide very thin layers (in the range of a few nanometers, for example a value of up to 10 nm), but thicker layers of up to 500 ⁇ m are also possible, with upper limits being very difficult to specify because they are very dependent strongly from the catalyst material. For economic reasons, layer thicknesses of 5 to 50 ⁇ m are often used (the layer thickness can be measured by means of scanning electron microscopy).
  • the object according to the invention is also achieved by an electrochemical cell for electrochemical hydrogenation, which contains the electrode described in more detail above as the electrode, in particular as the cathode.
  • the electrochemical cell for electrocatalytic hydrogenation has in particular a reactor in which a cathode, an anode and an electrolyte are contained, with a reducible organic compound being present in liquid or at least partially dissolved form in the reactor and the reducible organic compound being present on the Cathode can be hydrogenated.
  • the electrode has a catalyst layer and a carrier layer, as described in more detail above.
  • the electrochemical cell according to the application is not designed to generate a gas.
  • the apparatus is therefore designed in such a way that it is ensured that a gas is produced as a by-product, but the hydrogenated organic compound can be produced as the main product.
  • a transition metal chalcogenide in particular a transition metal chalcogenide selected from compounds which essentially have the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4I M 9 X 8 or M" 6 M k X
  • X' m correspond, for example, to a pentlandite as a catalyst for the electrocatalytic hydrogenation of organic compounds.
  • a transition metal chalcogenide in particular a transition metal chalcogenide selected from compounds which essentially have the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4I M 9 X 8 or M" 6 M k X
  • X' m correspond, for example, to a pentlandite as a catalyst for the electrocatalytic hydrogenation of organic compounds.
  • FIG. 1 shows a schematic view of an electrochemical batch cell 1 with two half-cells 2, 3.
  • the cathode half-cell 3 contains the cathode with the actual electrode 32, the end plate 31 and the electrode holder 33 as well as the reference electrode 36
  • the anode half-cell 2 contains the anode with the actual electrode 22 and the end plate 21.
  • An ion exchange membrane 4 is provided between the two chambers 2, 3.
  • a plurality of seals 23, 25, 5, 34, 35 are arranged in between.
  • the cell according to FIG. 1 is used for the electrocatalytic hydrogenation of 2-methyl-3-butyn-2-ol (MBY) to 2-methyl-3-buten-2-ol (MBE) or 2-methyl-butan-2 -ol (MBA) used at room temperature.
  • MY 2-methyl-3-butyn-2-ol
  • MBE 2-methyl-3-buten-2-ol
  • MCA 2-methyl-butan-2 -ol
  • the reaction is stopped approximately at the alkene stage, but under appropriate reaction conditions it can also be carried out until essentially only the alkane is still present.
  • All metal chalcogenide non-porous cathodes were used as the cathode Pentlandite-based catalysts used.
  • Ni wire was used as the anode.
  • a Nafion cation exchange membrane was used as the membrane.
  • a 1 M solution of MBY in a solvent/conductive salt combination of 0.3 M KOH in methanol was used.
  • the cathode had an area of 0.071 cm 2 and was contacted via a brass rod in a PTFE housing.
  • the electrocatalytic reduction was carried out for 2 hours.
  • Table 1 shows for various catalysts based on pentlandite (the pentlandite catalysts were obtained by means of thermal synthesis from the respective elements according to B. Konkena et al., Nat. Commun. 7: 12269 doi: 10.1038/ncomms12269 (2016), always more than 90% by weight - measured with PXRD - in the pentlandite structure templates) which Faraday efficiencies were achieved based on the desired reduction to MBE in the reaction according to Example 1 and which potentials (compared to a reversible hydrogen electrode E RH E as reference electrode ) at a current density of -100 mA cm -2 were required for the lydration.
  • Table 2 shows that in this reaction with Fe 3 Ni 6 S 8 essentially the cis product is formed, while Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 leads to an increased formation of the trans product.
  • the use of water as the solvent and KOFI as the conductive salt shows the best selectivity and the most favorable potential values.
  • Example 3 Electrocatalytic Flvdriuna of MBY by means of catalysis
  • the M" 6 M k X m X' n _catalysts were produced by means of hotch temperature synthesis in evacuated ampoules. Stoichiometric amounts of the respective elements were treated in a quartz glass ampule for 96 h in an oven at a temperature that is typically between 650 and 800. The The temperature chosen depends on the stoichiometry used: Ba 6 Ni 25 : 675 °C, Ba 6 Fe 12.5 Co 25 : 675 °C,
  • Ba 6 Fe 8.33 Co 8.33 Ni 8.33 700°C.
  • Ba 6 Fe 125 Co 25 then tempered for a further 96 h at 775°C and Ba 6 Fe 8 .33 Co 8 .33 Ni 8 .33 for a further 96 h at 800°C.
  • the successful synthesis of the catalysts can be confirmed by PXRD analysis.
  • Example 1 The reaction according to Example 1 was carried out using transition metal sulfides of the empirical formulas MS and MS 2 as a catalyst with a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O as
  • Example 6 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite Catalysts in a Solid Electrolyte Cell Using Different Electrode Concepts
  • the reaction according to Example 1 was also carried out with other electrode concepts instead of with electrodes consisting entirely of metal chalcogenide, namely electrodes with a pentlandite coating, with a pressed catalyst mass or with a catalyst mass pressed onto a metal grid.
  • a Sigracell GFD 2.5 carbon fleece was dipped several times in an ink consisting of 90% by weight Fe 3 Ni 6 S 8 and 10% by weight PTFE and dried at 80°C until the desired catalyst loading (5 mg*cm -2 ) was reached.
  • Example 2 In contrast to Example 1, a 1M MBY solution in 0.3M KOEI/EI2O was used as the conductive salt/solvent, carried out at 80 mA cm -2 and in a solid electrolyte cell.
  • the electrodes produced achieved a Faraday efficiency of 25% in terms of MBE and 5% in terms of MBA at a cell voltage of 2.5 V.
  • a mixture of Kynar Superflex 2501 PVDF and Fe 4.5 Ni 4 . 5 S 7 Se was mixed together using an IKA M20 knife mill.
  • the mass produced was hot-pressed at 170° C. and a contact pressure of 1 kN cm -2 .
  • other thermoplastics can also be used instead of PVDF.
  • conductive additives can be added to increase the conductivity between the active sites.
  • a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O was again carried out as the conductive salt/solvent and in a solid electrolyte cell.
  • Table 6 shows the required cell voltages (U/V) for a current density of 80 mA cm -2 in the solid electrolyte cell.
  • Table 6 For an electrode with a catalyst mass pressed onto a metal grid, a mixture of Kynar Superflex 2501 PVDF and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 was milled using an IKA M20 knife mill. The mass produced was pressed onto a stainless steel grid (Flaver & Boecker, 0.2 mm ⁇ 0.16 mm) at 170° C. and a contact pressure of 2 kN cm -2 . The electrode produced has increased mechanical stability. In contrast to Example 1, a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O was again carried out as the conductive salt/solvent and in a solid electrolyte cell. Table 7 shows the required cell voltages (UA/) for a current density of 80 mA cm -2 in a solid electrolyte cell. Table 7
  • FIG. 3 shows a schematic view of an electrochemical flow cell 101 with two half-cells 102, 103.
  • the cathode half-cell 103 contains the catholyte chamber 135, the cathode with the actual electrode 133 and the end plate 131 and the reference electrode 136.
  • the catholyte Chamber 135 is supplied with catholyte from reservoir 138 via pump 137 .
  • the anode Elalb cell 102 contains the anode with the actual electrode 123 and the end plate 121.
  • the anolyte chamber 125 is supplied with anolyte from the reservoir 127 via a pump 126.
  • An ion exchange membrane 104 (in the following examples, for example, a cation exchange membrane FS-10120-PK was used) is provided between the two chambers 102, 103.
  • a plurality of seals 122, 124, 132, 134 and the membrane-retaining seals 105, 106 are arranged in between.
  • the transition metal chalcogenide-containing electrodes were produced by applying a porous carbon-containing carrier material, for example a carbon fiber fabric, a mixture of the transition metal chalcogenide with a binder, for example PTFE, was sprayed on or applied to the carrier material in the form of a hot-pressable mass. Spraying can be done, for example, using 15 mL of an ink made of 5% by weight PTFE and 85% by weight Fe 3 Ni 6 S 8 onto a 10 cm x 10 cm W1S1010 CeTech Carbon Cloth, with a catalyst loading of 2 mg cm - 2 is reached.
  • the stress pressing is carried out using a mixture of ground PTFE powder with the transition metal chalcogenide catalyst and a 10 cm x 10 cm carbon substrate, which has an active area of 9 cm x 7 cm.
  • Example 7 Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes with different binders and current densities
  • the electrolyte chamber has a volume of 15 mL, the flow rate is 8 mL min -1 .
  • the electrocatalytic reduction was carried out for 2 hours.
  • the cathode was prepared by spraying the catalyst onto the substrate by means of an ink, the size of the electrode with one side spray coating obtained as described above being 7.1 cm -2 .
  • the ink contains (A) 258 pL of a 60% by weight PTFE dispersion as a binder, 15g of a 1% by weight methylcellulose (MC) in water as an inert additive, 5g of water as a solvent and 1g of the catalyst or (B) 258 pL of a 60% by weight PTFE dispersion as a binder and 15g isopropanol (IPA) and 5g water as a solvent and 1g of the catalyst.
  • A 258 pL of a 60% by weight PTFE dispersion as a binder, 15g of a 1% by weight methylcellulose (MC) in water as an inert additive, 5g of water as a solvent and 1g of the catalyst
  • MC 1% by weight methylcellulose
  • IPA isopropanol
  • Figure 4A shows for a current density of -100 mA cm -2 that the composition of the ink has little effect on the required potential.
  • Figure 4B shows, however, that when using IPA inks slightly better yields (Y) and Faraday efficiencies (FE) and a slightly better selectivity in terms of stopping the Reduction in the alkene (MBE) is recorded and only relatively little alkane (MBA) is formed. The slightly better yields with the IPA ink are probably due to better exposed active centers.
  • Figures 5A and 5B show the influence of current density on the required potential (EL/) and on the yield (Y) and Faraday efficiency (FE) for the IPA-based ink. It turns out (Fig. 5A) that the current density has no significant influence on the required potential. The Faraday efficiency decreases at higher current densities (CD); however, yield and selectivity (MBE/MBA) remain fairly constant ( Figure 5B).
  • Example 8 Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes with different binder contents
  • example 8 corresponds to that of example 7/IPA ink with the difference that the ink used contains a varying content of the binder PTFE. Tests were carried out with 10, 15 and 25% by weight of PTFE based on the total weight of the catalyst layer.
  • FIGS. 6A and 6B show the influence of the binder content on the required potential (E/V) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It can be seen (FIG. 6A) that an increased binder content has only a very small influence on the required potential. However, Faraday efficiency and yield decrease slightly; the selectivity (MBE/MBA) remains fairly constant. From this it can be deduced that a significantly increased proportion of binder has a positive effect on the mechanical stability; too high a binder content, however, usually leads to lower yields.
  • example 9 corresponds to that of example 7/IPA ink with a PTFE content of 10% by weight, with the difference that more ink was sprayed onto the carrier material. The spraying process was carried out until a loading of 0.6, 1, 2 or 5 mg cm -2 could be detected.
  • FIGS. 7A and 7B show the influence of the catalyst loading (CL) on the required potential (E/V) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It turns out (Fig.
  • Example 10 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite-Coated Electrodes with Different Catalysts and Different Membranes
  • the polymer electrolyte membranes of the flow cell were varied.
  • a proton exchange membrane (PEM) was used (Fumatech BWT GmbEI (FS-10120-PK)); on the other hand, an anion exchange membrane (AEM) (Fumatech BWT GmbEI (FM-FAA-3-PK-130)).
  • PEM proton exchange membrane
  • AEM anion exchange membrane
  • different catalysts were used.
  • the inks used for this correspond to those from Example 7 / IPA base, although
  • FIGS. 8A and 8B show the influence of the membrane (PEM or AEM) on the required potential (EL/) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It turns out (Fig.
  • the selenium-containing catalyst Fe 4.5 Ni 4.5 S 4 Se 4 is best in PEM and about equal to Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 ; in the AEM, on the other hand, Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 is slightly worse than the other two catalysts.
  • Fe 3 Ni 6 S 8 delivers the best results for both membranes, with these being significantly better for the anion exchange membrane than for the proton exchange membrane.
  • Fe 4.5 Ni 4.5 S 4 Se 4 shows a somewhat poorer selectivity with regard to the MBE/MBA ratio.
  • the proton exchange membranes are somewhat more energy efficient, since the required potential is lower, but in return also deliver lower yields.
  • Example 11 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite-Coated Electrodes at Different Temperatures
  • the hydrogenation reactions were carried out at different temperatures.
  • FIGS. 9A and 9B show the required potential (E/V) and the yield (Y) or Faraday efficiency (FE) for different reaction temperatures. As a result, for higher temperatures, the potential required is somewhat lower; however, the yield and Faraday efficiency are slightly higher at room temperature. A significant influence on the selectivity is not observed.
  • Example 12 Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes in a solid electrolyte cell
  • Figure 10 shows a schematic view of a solid electrolyte cell 201 with two half-cells 202, 203.
  • the cathode half-cell 203 contains the cathode with the actual electrode 235, the conductor plate 233 and the end plate 231 as well as the plastic spacer 232.
  • the cathode flow field 234 is supplied with catholyte from the reservoir 237 via a pump 236 .
  • the anode half cell 202 contains the anode with the actual electrode 225, the conductor plate 223 and the end plate 221 as well as the plastic spacer 222.
  • the anode flow field 224 is supplied with anolyte from the reservoir 227 via a pump 226.
  • An ion exchange membrane 204 is provided between the two chambers 202, 203.
  • a plurality of seals 205, 206 are arranged in between.
  • Example 7 In contrast to example 7, no liquid electrolyte but a polymer electrolyte system was used. Instead of the FS-10120-PK cation exchange membrane, an FM-FAA-3-PK-130 anion exchange membrane was used. Furthermore, the IPA ink was used as in Example 7, but with a PTFE content of 10% by weight. The Current density was only -80 mA cm -2 instead of -100. A Faraday efficiency of 67% (in terms of MBE) was achieved at a cell voltage of -2.5 V.
  • Example 13 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY in a Solid Electrolyte Cell with Pentlandite Electrodes at Different Current Densities different currents repeatedly. Table 8 shows that with the same reaction times (2 hours) and higher current densities, the Faraday efficiency decreases; however, the yield increases.
  • Example 14 Electrocatalytic hydrogenation of MBY in a solid electrolyte cell with pentlandite electrodes with different binders
  • the binders of the pentlandite coating were also varied.
  • different ion exchange membranes were used: the anion exchange membranes Piperion A80 (Versogen) and FM-FAA-3-PK-130 (Fumatech) and the cation exchange membrane Nafion 115 (lonPower).
  • Fluorine-containing polymers as well as the ionomers Piperion (Versogen), Aemion (lonomr) and Nafion (lonPower) were used as binders.
  • the ionomers mentioned not only have the function of a binder but also the function of an additive that increases conductivity.
  • the electrodes examined were produced using an IPA ink with a binder loading of 10% by weight and a catalyst loading of 2.5 mg cm -2 on a W1 S1010 carbon cloth (CeTech).
  • the reaction according to Example 10 was carried out at 80 mA cm -2 using the membranes mentioned and the coated electrodes. Table 9 shows the influence of different binders on the hydrogenation reaction.
  • Hydrophobic binders such as the mentioned fluorine-containing polymers generally show a higher Faraday efficiency for electrochemical hydrogenation (as can be shown with PTFE, Nafion and PVDF).
  • Example 15 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY in a Solid Electrolyte Cell Using Different Catalysts (Comparative Experiment)
  • the reaction according to Example 12 was also carried out with electrocatalysts according to the prior art.
  • Pd-based electrodes current industrial state-of-the-art
  • Pd particles Alfa Aesar, 0.35-0.8 miti
  • Ni foam 1.6 mm, Goodfellow
  • the IPA ink with a PTFE content of 10% by weight was sprayed onto a carbon fleece (Sigracell GFD 2.5).
  • An Fe 3 Ni 6 S 8 coating was applied with a loading of 5 mg cm -2 .
  • the reaction of a 1 M phenylacetylene solution in 0.3 M KOFI/MeOFI as conductive salt/solvent was carried out at a current density of 80 mA cm -2 .
  • a cation exchange membrane (Nafion 115) was used in the solid electrolyte cell.
  • a Faraday efficiency of 30% was achieved at a cell voltage of 2.2 V during the flydration.

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Abstract

The application relates to a method for the electrocatalytic hydrogenation of organic compounds in an electrochemical cell, in which the reducible organic compound is present in liquid form or at least partially in dissolved form, wherein the reducible organic compound is hydrogenated at the cathode. The cathode comprises, as a catalyst, a transition metal chalcogenide selected from sulfides, selenides and tellurides. The application also relates to an electrode, comprising a carrier material and a layer of the catalyst provided on the carrier material; to an electrochemical cell having an electrode of this type; and to the use of the transition metal chalcogenide catalyst for the electrochemical hydrogenation of organic compounds.

Description

Patentanmeldung: Patent application:
Verfahren zur selektiven katalytischen Hydrierung organischer Verbindungen sowie Elektrode und elektrochemische Zelle für dieses Verfahren Process for the selective catalytic hydrogenation of organic compounds and electrode and electrochemical cell for this process
Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur elektrokatalytischen Hydrierung organisch chemischer Verbindungen unter Verwendung einer Elektrode, die als katalytisch aktive Schicht ein Übergangsmetallchalkogenid, im Wesentlichen ein Sulfid, Selenid und/oder Tellurid, aufweist. Die Anmeldung betrifft ferner eine Elektrode für die elektrokatalytische Hydrierung und eine elektrochemische Zelle zur Durchführung der genannten Reaktion. Die Zusammensetzung der verwendeten Katalysatoren kann über weite Bereiche variiert und eingestellt werden, sodass mit den Katalysatoren eine erhöhte Selektivität im Hinblick auf mehrfach-reduzierbare Verbindungen und verschiedene hydrierbare funktionelle Gruppen eingestellt werden kann. Die anmeldungsgemäße elektrokatalytische Hydrierung kann prinzipiell für jegliche chemische Synthese eingesetzt werden, beispielsweise bei der Hydrierung von ungesättigten organischen Verbindungen. Zu nennen sind insbesondere die Synthese von Feinchemikalien, die Hydrierung von Pflanzenölen in der Fetthärtung der Lebensmittelindustrie, die Aufwertung von Biomasse, die hydrogenolytische Abspaltung entsprechender Schutzgruppen sowie eine Speicherung von Wasserstoff in Form von flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHCs). The application relates to a method for the electrocatalytic hydrogenation of organic chemical compounds using an electrode which has a transition metal chalcogenide, essentially a sulfide, selenide and/or telluride, as the catalytically active layer. The application also relates to an electrode for electrocatalytic hydrogenation and an electrochemical cell for carrying out said reaction. The composition of the catalysts used can be varied and adjusted over a wide range, so that the catalysts can be used to adjust an increased selectivity with regard to multiply reducible compounds and various hydrogenatable functional groups. The electrocatalytic hydrogenation according to the application can in principle be used for any chemical synthesis, for example in the hydrogenation of unsaturated organic compounds. In particular, the synthesis of fine chemicals, the hydrogenation of vegetable oils in fat hardening in the food industry, the upgrading of biomass, the hydrogenolytic elimination of corresponding protective groups and the storage of hydrogen in the form of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) should be mentioned.
Nach dem Stand der Technik kann die Hydrierung organischer Verbindungen mittels folgender Verfahren durchgeführt werden: Hydrierung von organischen Verbindungen mittels stöchiometrischer Hydrid-Überträger, Hydrierung in thermischen heterogen bzw. homogen-katalysierten Verfahren und elektrokatalytische Hydrierungsreaktionen. According to the prior art, the hydrogenation of organic compounds can be carried out using the following processes: hydrogenation of organic compounds using stoichiometric hydride transfer agents, hydrogenation in thermal heterogeneously or homogeneously catalyzed processes and electrocatalytic hydrogenation reactions.
Diese Art der Hydrierung mittels stöchiometrischer Hydrid-Überträger findet insbesondere Anwendung bei der Reduktion von C-O-Mehrfachbindungen in kleinskaligen Batch- Prozessen bzw. im Labormaßstab und erfordert eine Abtrennung der anfallenden stöchiometrischen Abfallprodukte. Diese Abfallprodukte können mit Umweltbedenken behaftet sein (z.B. Cyanobor-Verbindungen). This type of hydrogenation by means of stoichiometric hydride transfer agents is used in particular in the reduction of multiple CO bonds in small-scale batch processes or on a laboratory scale and requires the resulting products to be separated off stoichiometric waste products. These waste products may be of environmental concern (e.g. cyanoboron compounds).
Die thermisch-katalytischen Hydrierungen mit elementarem Wasserstoff in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators sind mit dem inhärenten Nachteil der Notwendigkeit einer vorgeschalteten Wasserstoff-Erzeugung verbunden. Darüber hinaus müssen viele Hydrierungsreaktionen bei erhöhten Temperaturen und Drücken durchgeführt werden, um eine ausreichende Konversion sicherzustellen. Dies stellt nicht nur einen zusätzlichen Energieeintrag dar, sondern bedingt auch erhöhte Anforderungen an die Prozesssicherheit. Als geeignete Katalysatoren homogen katalysierter Reaktionen kommen oftmals nur kostspielige Übergangsmetallkomplexe auf Basis von Pt, Pd, Ru, Ir oder Rh in Betracht. Dennoch muss für die selektive Hydrierung komplexerer Systeme, z.B. bei der asymmetrischen Hydrierung, meist auf die thermisch-katalytischen Hydrierungen mit Edelmetall-Katalysatoren zurückgegriffen werden. Auch bei heterogen- katalysierten Reaktionen werden häufig Edelmetalle eingesetzt. Edelmetallfreie Katalysatoren basieren auf feinverteilten kleinpartikulären Übergangsmetallen wie Ni. Im Gegensatz zu den Edelmetallen sind allerdings erhöhte Prozessdrücke und ggf. erhöhte Temperaturen erforderlich, um einen ausreichenden Hydrierungsgrad zu erreichen. Ein Nachteil dieser Systeme ist ihre stark eingeschränkte Selektivität bei der Hydrierung mehrfach ungesättigter Verbindungen. Daneben sind die heterogenen Katalysatoren häufig anfällig gegen Katalysatorgifte. Hieraus ergibt sich eine Einschränkung der potenziell hydrierbaren Substrate. The thermal-catalytic hydrogenations with elemental hydrogen in the presence of a suitable catalyst are associated with the inherent disadvantage of the need for upstream hydrogen generation. In addition, many hydrogenation reactions must be run at elevated temperatures and pressures to ensure adequate conversion. This not only represents an additional input of energy, but also places increased demands on process reliability. The only suitable catalysts for homogeneously catalyzed reactions are often expensive transition metal complexes based on Pt, Pd, Ru, Ir or Rh. Nevertheless, for the selective hydrogenation of more complex systems, e.g. in asymmetric hydrogenation, mostly thermal-catalytic hydrogenations with noble metal catalysts have to be used. Noble metals are also frequently used in heterogeneously catalyzed reactions. Noble metal-free catalysts are based on finely divided, small-particulate transition metals such as Ni. In contrast to the noble metals, however, increased process pressures and possibly increased temperatures are required in order to achieve a sufficient degree of hydrogenation. A disadvantage of these systems is their severely limited selectivity in the hydrogenation of polyunsaturated compounds. In addition, the heterogeneous catalysts are often susceptible to catalyst poisons. This results in a limitation of the potentially hydrogenatable substrates.
Eine relativ neue Art der Hydrierung ist die Elektrokatalyse. Bekannt ist die elektrokatalytische Hydrierung von ungesättigten organischen Substraten durch den Einsatz von Elektroden auf Basis von Raney-Ni auf Edelstahl (US2014110268 A). Auch die elektrokatalytische Umwandlung mit Metallpartikeln auf Substraten aus porösem Kohlenstoff wurden beschrieben (US2015008139 A). Nachteilig ist wiederum die Verwendung von (Edelmetall)-Katalysatoren, die eine niedrige Toleranz von Katalysatorgiften aufweisen, kostspielig sind und deren Gewinnung mit Umweltbedenken behaftet ist. Die US20190276941 A1 offenbart die selektive Hydrierung von Alkinen zu Alkenen an Kupfer-Elektroden. Eine katalysatorseitige Anpassung an schwierige Substrate wie elektronenarme Alkine ist hierbei nicht möglich. Neben der Fokussierung auf Edelmetall-basierte Katalysatoren und Raney-Ni ist der große Nachteil elektrokatalytischer Verfahren die Einschränkungen der Flexibilität (insbesondere bei Anwesenheit mehrerer funktioneller Gruppen oder der Elydrierung von Mehrfachbindungen) bei erreichbaren Elydrierungsgraden und wiederum die Anfälligkeit für Katalysatorgifte zu nennen. A relatively new type of hydrogenation is electrocatalysis. The electrocatalytic hydrogenation of unsaturated organic substrates through the use of electrodes based on Raney Ni on stainless steel is known (US2014110268 A). Electrocatalytic conversion with metal particles on porous carbon substrates has also been described (US2015008139 A). Another disadvantage is the use of (noble metal) catalysts, which have a low tolerance of catalyst poisons, are expensive and whose production is fraught with environmental concerns. US20190276941 A1 discloses the selective hydrogenation of alkynes to alkenes on copper electrodes. In this case, it is not possible to adapt the catalyst to difficult substrates such as electron-deficient alkynes. In addition to the focus on noble metal-based catalysts and Raney-Ni, the major disadvantage of electrocatalytic processes is the limitations in flexibility (especially in the presence of several functional groups or the cleavage of multiple bonds) at the achievable degrees of cleavage and, in turn, the susceptibility to catalyst poisons.
Aus der elektrokatalytischen Wasserspaltung ist auch ein edelmetallfreies elektrokatalytisches System bekannt. Die WO 2020/169806 beschreibt den Einsatz von Pentlanditen als Elektrokatalysatoren für die elektrolytische Erzeugung von H2. A noble metal-free electrocatalytic system is also known from electrocatalytic water splitting. WO 2020/169806 describes the use of pentlandites as electrocatalysts for the electrolytic production of H 2 .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur elektrokatalytischen Elydrierung organischer Verbindungen anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollte der verwendete Elektrokatalysator eine hohe Selektivität und eine Anpassbarkeit an komplexe organische Substrate aufweisen, möglichst energieeffizient arbeiten, möglichst hohe Ausbeuten liefern und/oder möglichst auch edelmetallfrei sein; zudem wird angestrebt, dass mit den daraus herstellbaren Elektroden möglichst große Stromdichten realisierbar sind. The present invention is based on the object of specifying a process for the electrocatalytic lydration of organic compounds with which the disadvantages of the prior art can be overcome. In particular, the electrocatalyst used should have a high selectivity and adaptability to complex organic substrates, work as energy-efficiently as possible, deliver the highest possible yields and/or also be free of noble metals if possible; In addition, it is sought that the greatest possible current densities can be realized with the electrodes that can be produced therefrom.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch das Verfahren, die Elektrode und die elektrochemische Zelle gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche und die Beschreibung sowie die Beispiele lehren vorteilhafte Weiterbildungen. At least one of these objects is solved by the method, the electrode and the electrochemical cell according to the independent claims. The dependent claims and the description as well as the examples teach advantageous developments.
Das anmeldungsgemäße Verfahren zur elektrokatalytischen Elydrierung organischer Verbindungen zeichnet sich dadurch aus, dass die eingesetzte Elektrode ein Übergangsmetallchalkogenid als Elektrokatalysator umfasst oder daraus besteht, wobei es sich bei dem Übergangsmetallchalkogenid um ein Sulfid, ein Selenid oder ein Tellurid (bzw. Mischungen von zwei oder drei der genannten Chalkogenide wie z.B. Sulfoselenide) handelt. Die für die katalytische Elydrierung verwendete Elektrode (insbesondere die Kathode) umfasst dieses Übergangsmetallchalkogenid als Katalysator oder besteht daraus. Die Elydrierung erfolgt dabei derart, dass eine zu reduzierende (insbesondere zu hydrierende) organische Verbindung in einer elektrochemischen Zelle (die neben einer Kathode und einer Anode einen flüssigen und/oder festen Elektrolyten aufweist) an der Kathode reduziert wird. Die Hydrierung kann sowohl kontinuierlich (insbesondere in einer Durchflusszelle) als auch diskontinuierlich (in einer Batch-Zelle) erfolgen. The method according to the application for the electrocatalytic lysing of organic compounds is characterized in that the electrode used comprises or consists of a transition metal chalcogenide as an electrocatalyst, the transition metal chalcogenide being a sulfide, a selenide or a telluride (or mixtures of two or three of the mentioned chalcogenides such as sulfoselenides) is. The electrode (particularly the cathode) used for the catalytic hydrogenation comprises or consists of this transition metal chalcogenide as a catalyst. The lydration takes place in such a way that an organic compound to be reduced (in particular to be hydrogenated) in an electrochemical cell (which, in addition to a cathode and an anode, contains a liquid and/or solid electrolyte has) is reduced at the cathode. The hydrogenation can take place either continuously (in particular in a flow cell) or discontinuously (in a batch cell).
Unter einer reduzierbaren organischen Verbindung werden anmeldungsgemäß insbesondere organische Verbindungen verstanden, die mindestens eine aromatische oder heteroaromatische Struktureinheit, insbesondere aber mindestens eine Mehrfachbindung aufweisen. Zu nennen sind hier wiederum insbesondere C-C- Mehrfachbindungen, Aromaten, Heterocyclen, C-O-Mehrfachbindungen, C-N- Mehrfachbindungen, N02-Gruppen und N-N-Mehrfachbindungen oder Kombinationen von Verbindungen mit zwei oder mehr der genannten Gruppen/Bindungen. In Betracht kommen dabei sowohl Doppelbindungen als auch Dreifachbindungen; es eignen sich sowohl niedermolekulare Substanzen als auch Polymere. Die zu reduzierende organische Verbindung kann dabei flüssig sein, sie kann zumindest teilweise in gelöster Form in einem Lösungsmittel vorliegen und kann in beiden Fällen auch teilweise als Feststoff vorliegen (sofern gewährleistet ist, dass zumindest ein Teil in Lösung gegangen ist bzw. flüssig ist) prinzipiell denkbar ist auch die Reduktion gasförmiger Verbindungen, insbesondere, wenn diese zumindest teilweise in gelöster Form vorliegen. Als Maßstab dient hierbei der Aggregatzustand bei Raumtemperatur. Die elektrokatalytische Reduktion selbst erfolgt anmeldungsgemäß üblicherweise bei Temperaturen zwischen -78 und 100 °C. Da - anders als bei Hydrierungsreaktionen, bei denen zwingend H2 zugegen ist - die erfindungsgemäßen Hydrierungsreaktionen üblicherweise endotherm sind und nach derzeitiger Auffassung auf der Katalysatoroberfläche vorliegender atomarer Wasserstoff als Hydrierungsmittel dient, ist grundsätzlich keine Beschränkung bezüglich der oberen Grenze der Temperatur vorhanden. Die angegebene obere Grenze der Temperatur bei 100 °C hat daher eher ökonomische Ursachen. Meist wird die Temperatur zwischen 0°C und 100 °C liegen und häufig zwischen 20°C und 80°C. Ferner werden unabhängig hiervon die Reaktionen üblicherweise bei Normaldruck durchgeführt. Auch die reduzierte organische Verbindung liegt üblicherweise in den vorgenannten Aggregatszuständen vor, insbesondere also als gelöste Substanz oder als Flüssigkeit (prinzipiell kann die reduzierte Verbindung aber auch als Feststoff aus dem Lösungsmittel ausfallen, was in besonderen Fällen durch Wahl des Lösungsmittels bzw. Lösungsmittelgemischs zusätzlich zur Katalysatorwahl dazu dienen kann, die Reduktion in Richtung eines bestimmten Produkts zu lenken). Unabhängig von den vorgenannten Parametern können im erfindungsgemäßen Verfahren Stromdichten erreicht werden, die insbesondere zumindest 10 mA cm-2 betragen und insbesondere größer 100 mA cm-2 sind. Auch Stromdichten bis 1 A cm-2 können insbesondere bei beschichteten Elektroden realisiert werden; auch Stromdichten von bis zu 2 A cm-2 sind bei Verwendung entsprechender Elektroden möglich. Elohe Stromdichten sind aus wirtschaftlicher Sicht (und damit insbesondere für industrielle Prozesse) aber sehr relevant. According to the application, a reducible organic compound is understood to mean, in particular, organic compounds which have at least one aromatic or heteroaromatic structural unit, but in particular at least one multiple bond. Mention should be made here in particular of CC multiple bonds, aromatics, heterocycles, CO multiple bonds, CN multiple bonds, NO 2 groups and NN multiple bonds or combinations of compounds with two or more of the groups/bonds mentioned. Both double bonds and triple bonds can be considered here; both low molecular weight substances and polymers are suitable. The organic compound to be reduced can be liquid, it can be present at least partially in dissolved form in a solvent and in both cases it can also be partially present as a solid (if it is ensured that at least part has gone into solution or is liquid). The reduction of gaseous compounds is also conceivable, in particular if these are at least partially in dissolved form. The state of aggregation at room temperature serves as a benchmark here. According to the application, the electrocatalytic reduction itself usually takes place at temperatures between -78 and 100.degree. Since—in contrast to hydrogenation reactions in which H 2 is mandatory—the hydrogenation reactions according to the invention are usually endothermic and atomic hydrogen present on the catalyst surface serves as the hydrogenating agent according to current understanding, there is in principle no restriction with regard to the upper limit of the temperature. The specified upper limit of the temperature at 100 °C therefore has economic reasons. Usually the temperature will be between 0°C and 100°C and often between 20°C and 80°C. Furthermore, independently of this, the reactions are usually carried out under atmospheric pressure. The reduced organic compound is also usually present in the aforementioned aggregate states, i.e. in particular as a dissolved substance or as a liquid (in principle, however, the reduced compound can also precipitate out of the solvent as a solid, which in special cases can be determined by the choice of solvent or solvent mixture in addition to the choice of catalyst can serve the reduction towards a specific product). Irrespective of the aforementioned parameters, current densities can be achieved in the method according to the invention which are in particular at least 10 mA cm -2 and in particular greater than 100 mA cm -2 . Current densities of up to 1 A cm -2 can also be achieved, particularly with coated electrodes; current densities of up to 2 A cm -2 are also possible when using appropriate electrodes. However, Elohe current densities are very relevant from an economic point of view (and thus in particular for industrial processes).
Erfindungsgemäß wurde nun festgestellt, dass als Katalysatoren eingesetzte Übergangsmetallsulfide, -selenide und - telluride die Eigenschaft besitzen, organische Verbindungen selektiv zu reduzieren bzw. zu hydrieren. Die katalytische Aktivität beruht dabei insbesondere auf der Anwesenheit des Chalkogenids und nur nachrangig auf dem Metall(kation). Es wurde insbesondere festgestellt, dass eine große Variationsbreite hinsichtlich der Katalysatoren und deren Selektivität besteht und abhängig vom eingesetzten Übergangsmetallchalkogenid beeinflusst werden kann, welche funktionelle Gruppe eines Moleküls mit mehreren reduzierbaren Gruppen bei der katalytischen Elydrierung reduziert wird und welches Konfigurationsisomere bei der Elydrierung einer Dreifachbindung erhalten wird. Es versteht sich von selbst, dass unter den erfindungsgemäßen Chalkogeniden salzartige Verbindungen verstanden werden, bei denen das Chalkogen als Anion und das Übergangsmetall als Kation vorliegt. Ein Elerstellungsweg für diese Chalkogenide erfolgt typischerweise entweder aus Gemischen von Pulvern der Elemente oder aus Pulvern der Elemente und von Metallchalkogeniden (letzteres beispielsweise um eine bestimmte Stöchiometrie einzustellen); typischerweise liegen zudem bei diesem und alternativen Verfahren Chalkogenide mit im Wesentlichen durchgängiger Chalkogenid-Struktur vor; anders ausgedrückt liegen die Chalkogenide im Wesentlichen als stöchiometrisches Chalkogenid vor, wobei im Wesentlichen bedeutet, dass im zwei Absätze weiter unten angegebenen Rahmen auch eine gewisse Nichtstöchiometrie vorliegen kann. Im Ausnahmefall kann aber auch ein Elerstellungsverfahren erfolgen, bei dem nur die am katalytischen Prozess beteiligte Oberfläche der Katalysatorpartikel eine Sulfid-, Selenid- und/oder Telluridschicht trägt, die beispielsweise durch Reaktion der elementaren Metallpartikel mit dem Chalkogen erhalten wurde. Mittels der anmeldungsgemäßen Chalkogenide kann also eine Prozessoptimierung zur Bildung eines gewünschten Produkts erfolgen. Ferner wurde festgestellt, dass mit den genannten Katalysatoren hohe Faraday-Effizienzen erzielt werden können. Im Unterschied zu den altbekannten Flydrierungsverfahren ist kein Einsatz eines stöchiometrischen Reduktionsreagenzes erforderlich und Abfallprodukte werden vermieden. Auf die Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff kann ebenfalls verzichtet werden; es erfolgt eine aktive Reduktion direkt an der Katalysatoroberfläche ohne den Zwischenschritt der Bildung von H2. Die dafür erforderlichen Protonen können insbesondere von einem protischen Lösungsmittel zur Verfügung gestellt werden oder über die anodische Halbzelle und den dort ablaufenden Oxidationsprozess unter Bildung von Protonen über eine zwischen den Halbzellen angeordnete Membran und/oder einen Festkörperelektrolyten der kathodischen Halbzelle zugeführt werden. Gegenüber den thermischen und elektrokatalytischen Flydrierungen nach dem Stand der Technik, insbesondere mit den Edelmetallkatalysatoren Palladium, Platin oder Ruthenium (die bisher zu den aktivsten Katalysatoren für Flydrierungsreaktionen zählen) sind die anmeldungsgemäßen Katalysatoren deutlich kostengünstiger und nachhaltiger und weisen (in elektrokatalytischen Reaktionen) zudem ebenfalls eine hohe Aktivität auf. Mit den erfindungsgemäßen Systemen können auch organische Verbindungen niedriger Reinheit hydriert werden oder Flydrierungen organischer Verbindungen, die Schwefel enthalten, durchgeführt werden. Dies ist auch darauf zurückzuführen, dass die bekannten Katalysatorgifte für Edelmetallkatalysatoren oder für andere typische Flydrierungskatalysatoren (wie z.B. Fi2S) bei den erfindungsgemäß eingesetzten Katalysatoren kein Problem darstellen. According to the invention, it has now been found that transition metal sulfides, selenides and tellurides used as catalysts have the property of selectively reducing or hydrogenating organic compounds. The catalytic activity is based in particular on the presence of the chalcogenide and only secondarily on the metal (cation). In particular, it was found that there is a wide range of variation with regard to the catalysts and their selectivity and, depending on the transition metal chalcogenide used, it can be influenced which functional group of a molecule with several reducible groups is reduced in the catalytic cleavage and which configurational isomer is obtained in the cleavage of a triple bond . It goes without saying that the chalcogenides according to the invention are understood as meaning salt-like compounds in which the chalcogen is present as an anion and the transition metal is present as cation. One route for preparing these chalcogenides is typically either from mixtures of powders of the elements, or from powders of the elements and metal chalcogenides (the latter, for example, to adjust a certain stoichiometry); typically, in this and alternative processes, chalcogenides with a substantially continuous chalcogenide structure are also present; In other words, the chalcogenides are essentially present as the stoichiometric chalcogenide, where essentially means that within the scope given two paragraphs below, some non-stoichiometry can also be present. In exceptional cases, however, a production method can also be used in which only the surface of the catalyst particles involved in the catalytic process carries a sulfide, selenide and/or telluride layer, which was obtained, for example, by reacting the elementary metal particles with the chalcogen. Using the chalcogenides according to the application, a process optimization for the formation of a desired product can therefore take place. Furthermore found that high Faraday efficiencies can be achieved with the catalysts mentioned. In contrast to the well-known flydration processes, it is not necessary to use a stoichiometric reducing agent and waste products are avoided. The supply of gaseous hydrogen can also be dispensed with; an active reduction takes place directly on the catalyst surface without the intermediate step of the formation of H 2 . The protons required for this can in particular be made available by a protic solvent or can be supplied to the cathodic half cell via the anodic half cell and the oxidation process taking place there with the formation of protons via a membrane arranged between the half cells and/or a solid electrolyte. Compared to the thermal and electrocatalytic flydrations according to the prior art, in particular with the noble metal catalysts palladium, platinum or ruthenium (which have so far been among the most active catalysts for flydration reactions), the catalysts according to the application are significantly cheaper and more sustainable and also have (in electrocatalytic reactions) a high activity. The systems according to the invention can also be used to hydrogenate organic compounds of low purity or to carry out flydrations of organic compounds which contain sulfur. This is also due to the fact that the known catalyst poisons for noble metal catalysts or for other typical flydriation catalysts (such as Fi 2 S) do not pose a problem with the catalysts used according to the invention.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das Übergangsmetallchalkogenid für die elektrokatalytische Flydrierung ausgewählt aus Verbindungen, die im Wesentlichen der Summenformel MX, MX2, M2X3, M2X4, M3X4, M9X8 oder M"6MkX|X'm entsprechen.According to one embodiment of the invention, the transition metal chalcogenide for the electrocatalytic flydration is selected from compounds which essentially have the empirical formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4 , M 9 X 8 or M" 6 M k correspond to X | X' m .
H ierbei wird M ausgewählt aus einem Übergangsmetall der 4., 5. oder 6. Periode, wobei - aus den vorstehend erläuterten Gründen - die Metalle der 4. Periode bevorzugt sind, insbesondere die Metalle der 4. Periode der Gruppen 4 bis 10, nachrangig sind dies auch die Metalle der 5. oder 6. Periode, die keine Edelmetalle sind. Allein schon aus Kostengründen ist im Zweifelsfall den Metallen der 4. Periode der Vorzug zu geben. M kann auch ein Gemisch mehrerer der genannten Metalle sein. Häufig wird das Metall M Fe, Co und/oder Ni sein oder zumindest eines oder mehrere dieser Metalle umfassen.In this case, M is selected from a transition metal of the 4th, 5th or 6th period, the metals of the 4th period being preferred, in particular the metals of the 4th period of groups 4 to 10, with a lower priority—for the reasons explained above these are also the metals of the 5th or 6th period that are not noble metals. For reasons of cost alone, metals from the 4th period should be preferred in case of doubt. M can also be a mixture of several of the metals mentioned. Often the metal M will be Fe, Co and/or Ni or will comprise at least one or more of these metals.
Das Metall M" ist ein Hauptgruppen Metall, insbesondere ein Alkalimetall oder Erdalkalimetall; auch kann M" für ein Gemisch mehrerer Hauptgruppenmetalle stehen.The metal M" is a main group metal, in particular an alkali metal or alkaline earth metal; M" can also stand for a mixture of two or more main group metals.
X steht für S, Se oder Te sowie für Gemische der genannten Chalkogenide und X' für ein Halogenid, wobei im Fall der Verbindungsklasse M"6MkXmX'n k, m und n für Dezimalzahlen stehen, wobei 24 ≤ k ≤ 25 und 26 ≤ m ≤ 28 und 0 ≤ n ≤ 1. X stands for S, Se or Te and for mixtures of the chalcogenides mentioned and X for a halide, where in the case of the compound class M″ 6 M k X m X′ n k, m and n stand for decimal numbers, where 24≦k≦ 25 and 26 ≤ m ≤ 28 and 0 ≤ n ≤ 1.
Häufig werden von den genannten Chalkogeniden die Sulfide und die Sulfoselenide allein aus Toxizitätsgründen bevorzugt sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit des vorstehend und nachfolgend Ausgeführten scheint aus derzeitiger Sicht der Anmelderin insbesondere der Einsatz von Übergangsmetallchalkogeniden besonders vorteilhaft zu sein, bei denen entweder das Übergangsmetall in der Kristallstruktur zwei unterschiedliche Oxidationsstufen einnehmen kann und/oder dem Chalkogenid X nicht ausschließlich eine Ladung als X2" zugeschrieben werden kann, wie das beispielsweise beim Vorliegen von X2 2" der Fall ist. Dies gilt insbesondere für Pentlandite, Chalkogenide mit Spinell-Struktur oder Spinell-artiger Struktur und etwas nachrangig auch für Chalkogenide, deren Struktur X2 2_lonen aufweist, beispielsweise Chalkogenide mit Pyrit- Struktur oder Pyrit-artiger Struktur. Derartige Strukturen scheinen die Koordination von atomarem Wasserstoff an der Katalysator-Oberfläche zu begünstigen. Dagegen wird man Verbindungen der Summenformel MX oder MX2 nur nachrangig auswählen, da diese im Regelfall unter elektrochemischen Bedingungen eine etwas geringe Stabilität aufweisen. Of the chalcogenides mentioned, the sulfides and the sulfoselenides are often preferred for reasons of toxicity alone. Without restricting the generality of what has been said above and below, from the current point of view of the applicant, the use of transition metal chalcogenides in particular seems to be particularly advantageous, in which either the transition metal in the crystal structure can assume two different oxidation states and/or the chalcogenide X does not exclusively have a charge as X 2" can be attributed, as is the case, for example, in the presence of X 2 2" . This applies in particular to pentlandites, chalcogenides with a spinel structure or a spinel-like structure and, to a lesser extent, also for chalcogenides whose structure has X 2 2_ ions, for example chalcogenides with a pyrite structure or a pyrite-like structure. Such structures seem to favor the coordination of atomic hydrogen at the catalyst surface. In contrast, compounds of the molecular formula MX or MX 2 will only be selected as a secondary option, since these generally have somewhat low stability under electrochemical conditions.
Grundsätzlich ergibt sich damit, dass Chalkogenide der Formel M2X4, M9X8 oder M"6MkX|X'm besonders geeignet sind, insbesondere wenn M ein Metall der 4. Periode der Gruppen 4 bis 10 ist, und hier wiederum insbesondere Fe, Co und/oder Ni ist oder zumindest eines oder mehrere dieser Metalle umfasst. In principle, this means that chalcogenides of the formula M 2 X 4 , M 9 X 8 or M" 6 M k X | X' m are particularly suitable, especially when M is a metal of the 4th period of groups 4 to 10, and here in turn is in particular Fe, Co and/or Ni or comprises at least one or more of these metals.
Unter "im Wesentlichen der Summenformel" wird anmeldungsgemäß verstanden, dass es sich bei den Übergangsmetallchalkogeniden auch nicht nur um Reinverbindungen sondern auch um nichtstöchiometrische Verbindungen handeln kann oder dass eine Dotierung vorliegen kann. Bei den nichtstöchiometrischen Verbindungen kann das molare Verhältnis X/M beispielsweise um bis zu 2 %, gelegentlich auch bis zu 5% oder in in Extremfällen auch bis zu 10%, gegenüber dem ganzzahligen Verhältnis (nach oben oder unten) verändert sein. Als Dotierung kann insbesondere eine Dotierung mit einem Nichtmetall, beispielsweise mit einem oder mehreren der Elemente B, O, N, P, As, F, CI,According to the application, “essentially the empirical formula” is understood to mean that the transition metal chalcogenides can also be not only pure compounds but also non-stoichiometric compounds or that doping can be present. In the case of the non-stoichiometric compounds, the molar ratio X/M can be changed (up or down) by up to 2%, occasionally up to 5% or in extreme cases even up to 10% compared to the integer ratio. Doping with a non-metal, for example with one or more of the elements B, O, N, P, As, F, CI,
Br, I, in einem Gehalt von bis zu 5 Atom-% bezogen auf das Metall M vorliegen. Eine Dotierung kann beispielsweise durch die für alle Stöchiometrien mögliche thermische Herstellung der Verbindungen MX, MX2, M2X3, M2X4, M3X4, M9X8 oder M"6MkX|X'm aus den Elementen M (wobei - wie erläutert - M auch für verschiedene Übergangsmetalle stehen kann) und X unter Zumischung des entsprechenden Nichtmetalls, mit dem dotiert wird, erfolgen. Eine Sauerstoff-Dotierung kann beispielsweise erfolgen, indem das Übergangsmetallchalkogenid, beispielsweise der Pentlandit, teiloxidiert wird. Hierbei findet eine teilweise Oberflächenmodifikation statt, so dass dann auf einem Backbone des Übergangsmetallchalkogenids X eine Oberfläche vorliegt, die neben dem Chalkogen X auch Sauerstoff aufweist. Ferner kann eine Dotierung - beispielsweise mit Stickstoff oder einem Halogen - erfolgen, indem bei der Herstellung aus den Elementen zusätzlich eine chemische Verbindung des einzudotierenden Nichtmetalls zugegeben wird, beispielsweise ein Übergangsmetallnitrid oder ein Übergangsmetallhalogenid. Br, I, are present in a content of up to 5 atomic % based on the metal M. One Doping can, for example, by the possible for all stoichiometries thermal production of the compounds MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4 , M 9 X 8 or M " 6 M k X | X ' m from the Elements M (where - as explained - M can also stand for different transition metals) and X with admixture of the corresponding non-metal with which doping is carried out. Oxygen doping can take place, for example, by the transition metal chalcogenide, for example pentlandite, being partially oxidized. In this case, a partial surface modification takes place, so that a surface is then present on a backbone of the transition metal chalcogenide X, which also has oxygen in addition to the chalcogen X. Furthermore, doping - for example with nitrogen or a halogen - can take place by the production from the elements a chemical compound of the non-metal to be doped is additionally added, for example a transition metal nitride or a transition smetal halide.
Als besonders geeignet haben sich Übergangsmetallchalkogenide erwiesen, die im Wesentlichen der Formel M9X8 entsprechen und zumindest teilweise in der Pentlandit- Struktur kristallisiert vorliegen (anmeldungsgemäß erfolgt die diesbezügliche Messung mittels Pulverdiffraktometrie (PXRD)). Hier wiederum sind insbesondere die Verbindungen der Formel Fe9-a-b-cNiaCobM'cS8-dSed hervorzuheben. Hierbei wird M' aus denselben Übergangsmetallen mit denselben Vorzugsvarianten, wie vorstehend für M spezifiziert, ausgewählt und wird insbesondere ausgewählt ist aus einem oder mehreren Metallen der Gruppe bestehend aus Ag, Cu, Zn, Cr und Nb. a, b, c und d sind Dezimalzahlen, häufig aber ganzzahlig oder halbzahlig (wobei auch hierbei eine stöchiometrische und eine wie vorstehend definierte nichtstöchiometrische Verbindung vorliegen kann), wobei a eine Zahl von 0 bis 7 ist, insbesondere von 1 bis 6, b eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 0 bis 8, c eine Zahl von 0 bis 2 ist, insbesondere von 0 bis 1 und d eine Zahl von 0 bis 6 ist, insbesondere von 0 bis 4. Üblicherweise ist die Summe a+b+c eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 3 bis 7. Häufig gilt hierbei, dass gleichzeitig a eine Zahl von 1 bis 6, b eine Zahl von 0 bis 8, c eine Zahl von 0 bis 1, d eine Zahl von 0 bis 4 und die Summe a+b+c eine Zahl von 3 bis 7 ist. Transition metal chalcogenides have proven to be particularly suitable which essentially correspond to the formula M 9 X 8 and are at least partially crystallized in the pentlandite structure (according to the application, the relevant measurement is carried out by means of powder diffractometry (PXRD)). Here again, the compounds of the formula Fe 9-abc Ni a Co b M' c S 8-d Se d are to be emphasized in particular. Here, M ' is selected from the same transition metals with the same preferred variants as specified above for M, and is selected in particular from one or more metals from the group consisting of Ag, Cu, Zn, Cr and Nb. a, b, c and d are decimal numbers, but often integers or half-integers (where a stoichiometric compound and a non-stoichiometric compound as defined above can also be present), where a is a number from 0 to 7, in particular from 1 to 6, b is one is a number from 0 to 9, in particular from 0 to 8, c is a number from 0 to 2, in particular from 0 to 1 and d is a number from 0 to 6, in particular from 0 to 4. The sum is usually a+b +c is a number from 0 to 9, in particular from 3 to 7. It is often the case here that a is a number from 1 to 6, b is a number from 0 to 8, c is a number from 0 to 1, d is a number from 0 to 4 and the sum a+b+c is a number from 3 to 7.
Der Anteil des Übergangsmetallchalkogenids M9X8, der in der Pentlandit-Struktur vorliegt, beträgt üblicherweise zumindest 80 %, meist sogar mindestens 90 %. Derartige Gehalte sind mit den üblichen Syntheseverfahren unproblematisch zu erreichen, insbesondere mit der bereits genannten thermischen Herstellung aus den Elementen. Gemäß einerweiteren Ausführungsform sind in der Verbindung Fe9_a-b-cNiaCobM'cS8-dSed nur zwei der drei Metalle oder im Wesentlichen nur zwei der drei Metalle Eisen, Kobalt und Nickel enthalten und kein Metall M1 oder im Wesentlichen kein Metall M1. Im Wesentlichen bedeutet hierbei jeweils, dass der Anteil des nicht enthaltenen Metalls bzw. des Metalls M1 bezogen auf das Metall weniger als 5 Mol-% ist. The proportion of the transition metal chalcogenide M 9 X 8 that is present in the pentlandite structure is usually at least 80%, usually even at least 90%. Contents of this type can be achieved without any problems using the usual synthesis methods, in particular using the thermal production from the elements already mentioned. According to a further embodiment, only two of the three metals or essentially only two of the three metals iron, cobalt and nickel are contained in the compound Fe9_ abc Ni a Co b M' c S8- d Se d and no metal M 1 or essentially no metal M1 . Essentially means in each case that the proportion of the metal not present or of the metal M 1 , based on the metal, is less than 5 mol %.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann die elektrokatalytische Reduktion sowohl in Flüssig- als auch Feststoffelektrolyt-Zellen, und insbesondere auch Polymerelektrolyt- Zellen durchgeführt werden. Die zu hydrierende organische Verbindung liegt im Fall von Flüssigelektrolyt-Zellen üblicherweise in wässriger bzw. organischer Fösung vor. According to a further embodiment, the electrocatalytic reduction can be carried out both in liquid and solid electrolyte cells, and in particular also in polymer electrolyte cells. In the case of liquid electrolyte cells, the organic compound to be hydrogenated is usually present in an aqueous or organic solution.
Zusätzlich ermöglichen Polymerelektrolytzellen auch noch die Flydrierung der organischen Verbindung in Reinform oder als Fösung. Zusätzlich kann im Fösungsmittel auch noch ein Feitsalz enthalten sein - beispielsweise, wenn Wasser oder ein Alkohol als Fösungsmittel verwendet wird; im Fall der Polymerelektrolytzellen wird man häufig auf Feitsalze verzichten. Die Flydrierung kann in jeder der genannten Zellen sowohl in einem diskontinuierlichen Batch-Betrieb als auch kontinuierlichem Durchfluss-Betrieb erfolgen. Durch Wahl der Zelle und des Elektrolyts können die Faraday-Ausbeuten für die gewünschte Flydrierung zusätzlich optimiert werden. Auch auf die Selektivität in Richtung verschiedener Flydrierungsprodukte kann zusätzlicher Einfluss genommen werden. In addition, polymer electrolyte cells also make it possible to fly the organic compound in pure form or as a solution. In addition, the solvent can also contain a fat salt - for example, if water or an alcohol is used as the solvent; in the case of polymer electrolyte cells, fat salts are often not used. In each of the cells mentioned, the flydriding can take place both in a discontinuous batch operation and in a continuous flow operation. By selecting the cell and the electrolyte, the Faraday yields can be further optimized for the desired flydriding. Additional influence can also be exerted on the selectivity in the direction of different flydration products.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner in vorteilhafter Weise weitergebildet werden, wenn eine Elektrode eingesetzt wird, die wie nachstehend näher beschrieben ausgebildet ist, und die insbesondere eine oder mehrere der nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen der Elektrode aufweist. The method according to the invention can also be further developed in an advantageous manner if an electrode is used which is configured as described in more detail below and which in particular has one or more of the advantageous configurations of the electrode described below.
Eine Elektrode zur elektrokatalytischen Flydrierung organischer Verbindungen in einer elektrochemischen Zelle umfasst neben einer gegebenenfalls vorhandenen und zur Elektrode gehörenden elektrischen Kontaktierung der Elektrode ein Trägermaterial und einer zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Trägermaterials angeordnete Katalysatorschicht auf. Es versteht sich von selbst, dass die Kontaktierung (die beispielsweise über ein Metall erfolgen kann und häufig aufgeklebt oder aufgepresst wird) anmeldungsgemäß also nicht zum Trägermaterial zählt. Die Katalysatorschicht enthält als Katalysator ein Übergangsmetallchalkogenid oder besteht daraus, wobei das Übergangsmetallchalkogenid ausgewählt ist aus Sulfiden, Seleniden und/oder Telluriden. An electrode for the electrocatalytic flydriding of organic compounds in an electrochemical cell comprises, in addition to any electrical contacting of the electrode that is present and belonging to the electrode, a carrier material and a catalyst layer arranged at least on part of the surface of the carrier material. It goes without saying that the contacting (which can take place, for example, via a metal and is often glued on or pressed on) is therefore not part of the carrier material according to the application. The catalyst layer contains or consists of a transition metal chalcogenide as a catalyst, the transition metal chalcogenide being selected from sulfides, selenides and/or tellurides.
Dass die Katalysatorschicht "auf" dem Trägermaterial angeordnet ist, kann dabei hier und im Folgenden bedeuten, dass die Katalysatorschicht unmittelbar in direktem mechanischen und/oder elektrischen Kontakt auf dem Trägermaterial angeordnet oder aufgebracht ist. Weiterhin kann auch ein mittelbarer Kontakt bezeichnet sein, bei dem weitere Schichten oder Bereiche zwischen der Katalysatorschicht und dem Trägermaterial angeordnet sind. The fact that the catalyst layer is arranged “on” the carrier material can mean here and below that the catalyst layer is arranged or applied directly in direct mechanical and/or electrical contact on the carrier material. Furthermore, an indirect contact can also be referred to, in which further layers or areas are arranged between the catalyst layer and the support material.
Eine anmeldungsgemäße Elektrode für das elektrokatalytische Verfahren weist insbesondere eine oder mehrere der nachfolgenden Merkmale auf: An electrode according to the application for the electrocatalytic process has in particular one or more of the following features:
• Die Katalysatorschicht umfasst neben dem Übergangsmetallchalkogenid einen polymeren Binder, insbesondere einen polymeren nicht-ionenleitenden Binder, oder besteht aus den beiden Komponenten. • In addition to the transition metal chalcogenide, the catalyst layer comprises a polymeric binder, in particular a polymeric non-ion-conducting binder, or consists of the two components.
• Die Katalysatorschicht umfasst neben dem Übergangsmetallchalkogenid und einem gegebenenfalls vorhandenen Binder noch ein Additiv oder besteht aus den zwei (bzw. bei Anwesenheit eines Binders) drei Komponenten. • In addition to the transition metal chalcogenide and a binder that may be present, the catalyst layer also includes an additive or consists of the two (or three components if a binder is present).
• Die Elektrode weist zumindest teilweise poröse Bereiche auf. • The electrode has at least partially porous areas.
• Die Elektrode besitzt eine katalytisch aktive Oberfläche von mindestens 0,2 cm2. • The electrode has a catalytically active surface of at least 0.2 cm 2 .
Besonders gute Ergebnisse werden - wie beim Verfahren, auf das hinsichtlich der geeigneten Katalysatoren vollumfänglich Bezug genommen wird, oben näher erläutert wurde - üblicherweise erzielt, wenn als Katalysator Übergangsmetallchalkogenide eingesetzt werden, die im Wesentlichen der Formel M9X8 entsprechen und zumindest teilweise in der Pentlandit-Struktur kristallisiert vorliegen. Particularly good results are - as explained in more detail above in the process to which reference is made in full with regard to the suitable catalysts - usually achieved when the catalyst used are transition metal chalcogenides which essentially correspond to the formula M 9 X 8 and at least partially in the Crystallized pentlandite structure.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Katalysatorschicht einen polymeren Binder, insbesondere einen polymeren Binder, der nicht zu den ionischen Polymeren zählt. Dieser Binder führt zu einer verbesserten Elaftung der einzelnen Katalysator-Partikel aneinander, führt meist zu einer verbesserten mechanischen Stabilität und/oder auch zu einer einfacheren Verarbeitung des Katalysatormaterials. Je nach Trägermaterial kann dadurch auch eine bessere Haftung auf dem Trägermaterial realisiert werden. Ein Binder kann vorteilhafter Weise eingesetzt werden, wenn die Katalysatorschicht in Form von Tinten auf das Trägermaterial aufgebracht, insbesondere aufgesprüht, werden kann oder wenn das Katalysatormaterial in Form einer heißpressbaren Masse verwendet wird. According to an advantageous embodiment, the catalyst layer comprises a polymeric binder, in particular a polymeric binder that does not belong to the ionic polymers. This binder leads to improved relaxation of the individual Catalyst particles together usually leads to improved mechanical stability and/or easier processing of the catalyst material. Depending on the carrier material, better adhesion to the carrier material can also be achieved. A binder can be used advantageously if the catalyst layer can be applied to the carrier material in the form of inks, in particular sprayed on, or if the catalyst material is used in the form of a hot-pressable mass.
Als Binder kommen insbesondere hydrophobe Binder in Betracht. Insbesondere können diese ausgewählt werden aus Polyolefinen, fluorierten Polyolefinen, Copolymeren mit Polyolefinen und/oder fluorierten Polyolefinen und Polymerblends, die Polyolefine und/oder fluorierten Polyolefine enthalten, wobei es sich durchgängig bevorzugt um nicht-ionenleitende Polymere handelt. Gegebenenfalls können auch chlorierte Polymere oder Copolymere (z.B. PVC oder PVC-haltige Copolymere) eingesetzt bzw. ergänzend eingesetzt werden. Hierbei sind die Polyolefine und fluorierten Polyolefine insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus PE, PP, PVDF, FEP und PTFE. Der Anteil des Binders an der Katalysatorschicht beträgt üblicherweise 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere 5 bis 80 Gew.-%, beispielsweise 10 bis 25 Gew.-%. Bei Gehalten über 25 Gew.-% sinkt häufig die Effizienz der Reaktion im Hinblick auf die erzielten Ausbeuten. Üblicherweise ab 1 Gew.-% und insbesondere ab 5 Gew.-% kann eine ausreichende Haftung der Katalysatorpartikel untereinander sowie auf einem gegebenenfalls vorhandenen Trägermaterial realisiert werden. Hydrophobic binders are particularly suitable as binders. In particular, these can be selected from polyolefins, fluorinated polyolefins, copolymers with polyolefins and/or fluorinated polyolefins and polymer blends which contain polyolefins and/or fluorinated polyolefins, all of which are preferably non-ion-conducting polymers. If appropriate, chlorinated polymers or copolymers (e.g. PVC or PVC-containing copolymers) can also be used or used in addition. Here, the polyolefins and fluorinated polyolefins are selected in particular from the group consisting of PE, PP, PVDF, FEP and PTFE. The proportion of binder in the catalyst layer is usually 1 to 90% by weight, in particular 5 to 80% by weight, for example 10 to 25% by weight. At levels above 25% by weight, the efficiency of the reaction in terms of the yields achieved often decreases. Adequate adhesion of the catalyst particles to one another and to any support material present can usually be achieved from 1% by weight and in particular from 5% by weight.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform umfasst die Katalysatorschicht neben dem Übergangsmetallchalkogenid und einem gegebenenfalls vorhandenen Binder noch ein Additiv. Das Additiv kann insbesondere ausgewählt sein aus Stoffen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit (z.B. Ruß, Graphit oder Carbon Nanotubes), Stoffen zur Erhöhung der ionischen Leitfähigkeit (z.B. lonomere wie Nafion, Sustainion, Piperion, Aemion, Durion, Orion), Stoffen zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, Stoffen zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, Stoffen zur Modifikation der Hydrophobie und Stoffen zur Verbesserung der Adsorption der zur hydrierenden organischen Verbindung (z.B. Ruße und Aktivkohlen). Auch mehrere der genannten Additive können vorliegen. Daneben oder gleichzeitig können auch Additive zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und/oder Additive zur Verbesserung der Adsorptionseigenschaften enthalten seien. Alternativ oder zusätzlich kann auch (mindestens) eine Zwischenschicht zwischen der Katalysatorschicht und dem Trägermaterial vorliegen. Denkbar sind beispielsweise Schichten zur Verbesserung der Haftung der Katalysatorschicht auf dem Trägermaterial oder Schichten zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit. Ein elektrisch leitfähiges Additiv in der Katalysatorschicht kann auch zu einer besseren Verteilung der aktiven Zentren führen. Schließlich kann auch auf der dem Trägermaterial abgewandten Seite der Katalysatorschicht eine weitere Schicht aufgebracht sein, beispielsweise zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit oder zur Änderung von hydrophilen bzw. lipophilen Eigenschaften der Oberfläche. According to a further embodiment, the catalyst layer comprises an additive in addition to the transition metal chalcogenide and a binder that may be present. The additive can be selected in particular from substances to increase the electrical conductivity (e.g. carbon black, graphite or carbon nanotubes), substances to increase the ionic conductivity (e.g. ionomers such as Nafion, Sustainion, Piperion, Aemion, Durion, Orion), substances to increase the thermal conductivity, substances to increase corrosion resistance, substances to modify hydrophobicity and substances to improve adsorption of the organic compound to be hydrogenated (e.g. carbon black and activated carbon). Several of the additives mentioned can also be present. In addition or at the same time, additives to improve the mechanical Properties and / or additives to improve the adsorption properties are included. Alternatively or additionally, there can also be (at least) one intermediate layer between the catalyst layer and the support material. For example, layers to improve the adhesion of the catalyst layer to the support material or layers to improve the electrical conductivity are conceivable. An electrically conductive additive in the catalyst layer can also lead to a better distribution of the active centers. Finally, a further layer can also be applied to the side of the catalyst layer facing away from the support material, for example to improve the corrosion resistance or to change the hydrophilic or lipophilic properties of the surface.
Die Katalysatorschicht kann auf dem Trägermaterial auf verschiedene Weisen angeordnet werden. Beispielsweise kann die Katalysatorschicht aufgesprüht werden (insbesondere mittels einer Tinte); sie kann aber auch durch Tauchen, Rakeln, Druckverfahren, Dekalverfahren oder thermisches Pressen aufgebracht werden, sodass funktionale Elektrodenverbünde entstehen. Die elektrische Kontaktierung kann dabei sowohl über die Vorderseite als auch über die Rückseite erfolgen, d. h. die Kontaktierung kann entweder am Trägermaterial oder an der Katalysatorschicht selbst erfolgen. The catalyst layer can be arranged on the support material in various ways. For example, the catalyst layer can be sprayed on (in particular by means of an ink); however, it can also be applied by dipping, squeegeeing, printing processes, decal processes or thermal pressing, so that functional electrode assemblies are created. The electrical contact can be made both on the front and on the back, i. H. the contact can be made either on the support material or on the catalyst layer itself.
Die für die Katalysatorschicht eingesetzten Katalysatorpartikel können grundsätzlich jegliche Partikelgröße aufweisen. Häufig haben sich aber Partikel mit einem mittels Siebverfahren ermittelten d90-Wert kleiner 10 pm als vorteilhaft erwiesen, weil größere Partikel häufig schlechter verarbeitbar sind, insbesondere wenn sie in zu versprühenden Tinten eingesetzt werden. The catalyst particles used for the catalyst layer can in principle have any particle size. However, particles with a d90 value of less than 10 μm, determined by means of a sieving method, have often proven to be advantageous because larger particles are often more difficult to process, particularly when they are used in inks to be sprayed.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform kann als Trägermaterial ein poröses Material eingesetzt werden. Durch Verwendung eines porösen Materials kann erreicht werden, dass die aktive Oberfläche der Katalysatorschicht (die in der inneren Oberfläche, d. h. Poren, Kavitäten, Zwischenräumen und dergleichen, keine wirkliche Schicht sondern eine Beschichtung darstellt) deutlich vergrößert werden kann. Eine derartige vergrößerte Oberfläche kann insbesondere erhalten werden, wenn das poröse Trägermaterial mit der Katalysatortinte infiltriert wird, beispielsweise durch Tauchverfahren oder auch mittels Aufsprühen. Anmeldungsgemäß wird unter einem porösen Trägermaterials nicht nur ein Trägermaterial mit Poren (insbesondere mit einem signifikanten Anteil Makroporen) verstanden, wobei das poröse Trägermaterial auch eine offenporige Struktur aufweisen kann, sondern auch ein Trägermaterial nach Art eines Filzes, nach Art eines Gewebes oder nach Art eines Geflechts sein, beispielsweise ein Nickel-Mesh. Auch gitterförmige Strukturen sind denkbar. According to a further embodiment, a porous material can be used as the carrier material. By using a porous material it can be achieved that the active surface of the catalyst layer (which is not a real layer but a coating in the inner surface, ie pores, cavities, interstices and the like) can be increased significantly. Such an enlarged surface can be obtained in particular if the porous support material is infiltrated with the catalyst ink, for example by dipping methods or by spraying on. According to the application, a porous carrier material is not just a carrier material with pores (in particular with a significant proportion of macropores) understood, wherein the porous carrier material can also have an open-pored structure, but also a carrier material in the form of a felt, in the form of a fabric or in the form of a mesh, for example a nickel mesh. Grid-like structures are also conceivable.
Unabhängig von der Frage, ob das Trägermaterial porös ist, wird dieses üblicherweise ein flächiges Gebilde sein, und insbesondere kann ein Trägermaterial eingesetzt werden, das ein Metall, ein Metalloxid, ein Polymer, eine Keramik ein Kohlenstoff-basiertes Material, ein Kompositmaterial oder ein Gemisch solcher Stoffe ist. Das Trägermaterial ist dabei im Regelfall nicht selbst katalytisch aktiv. Häufig wird das Trägermaterial allerdings eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Das flächige Trägermaterial kann beispielsweise als Gewebe, Streckgitter, Filze oder Folien vorliegen. Es kann auch eine Membran sein kann (insbesondere bei Elektroden einer Polymerelektrolytzelle) oder auch eine Filterfolie (die beispielsweise aus einem Polymer oder Metall besteht), z.B. Eine PTFE Membran oder ein Ag-Filter. Regardless of whether the carrier material is porous, this will usually be a flat structure, and in particular a carrier material can be used which is a metal, a metal oxide, a polymer, a ceramic, a carbon-based material, a composite material or a mixture such substances. As a rule, the support material itself is not catalytically active. However, the carrier material will often have electrical conductivity. The flat carrier material can be present, for example, as a woven fabric, expanded metal, felt or foil. It can also be a membrane (particularly in the case of electrodes of a polymer electrolyte cell) or a filter film (which consists, for example, of a polymer or metal), e.g. a PTFE membrane or an Ag filter.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform weist die Katalysatorschicht eine Fläche von mindestens 0,2 cm2, insbesondere mindestens 1 cm2, bevorzugt 1 cm2 bis 4m2 auf. Es kann sich hierbei um eine durchgängige Fläche handeln; die Schicht bzw. die Beschichtung kann aber auch unterbrochen sein oder auf mehrere voneinander getrennte Bereiche des Trägermaterials aufgeteilt sein. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um die äußere Oberfläche und zwar nur die Oberfläche, die dem Trägermaterial nicht zugewandt ist (im Wesentlichen ist dies also die dem Trägermaterial abgewandte Seite); die innere Oberfläche eines porösen Trägermaterials wird hierbei nicht mitberechnet, d. h. die mathematische Berechnung erfolgt dabei nur anhand der äußeren Abmessungen, im einfachsten Fall aus Höhe, Länge und Breite. Anmeldungsgemäß können also Elektroden jeglicher Größe hergestellt werden, wobei für eine großtechnische Anwendung auch Flächen im Quadratmeterbereich realisiert werden können; für kleinere Mengen können auch Flächen mit 1 cm2 oder weniger sinnvoll sein. According to a further embodiment, the catalyst layer has an area of at least 0.2 cm 2 , in particular at least 1 cm 2 , preferably 1 cm 2 to 4 m 2 . This can be a continuous surface; however, the layer or the coating can also be interrupted or divided into several separate areas of the carrier material. The values given are for the outer surface and only the surface that does not face the carrier material (essentially this is the side facing away from the carrier material); the inner surface of a porous carrier material is not included in the calculation, ie the mathematical calculation is only based on the outer dimensions, in the simplest case of height, length and width. According to the application, electrodes of any size can therefore be produced, with surfaces in the square meter range also being able to be realized for large-scale technical application; for smaller quantities, areas of 1 cm 2 or less can also be useful.
Gemäß einerweiteren Ausführungsform wird die Katalysatorschicht der Elektrode derart ausgebildet, dass die Katalysatorbeladung 0,1 - 500 mg cm-2, insbesondere 1 - 250 mg cm-2, beispielsweise 2 - 10 mg cm-2 beträgt. Die Katalysatorbeladung kann gemessen werden mittels Gewichtsmessung vor und nach Aufbringen der Katalysatorschicht auf das Trägermaterial. Ab Flächen von 0,5 bis 1 mg cm-2 kann üblicherweise eine Verteilung der aktiven Zentren erfolgen, mit denen ein signifikanter Umsatz realisiert werden kann. Bei Katalysatorbeladung in über 250 mg cm-2wird nur noch ein geringer zusätzlicher Effekt erzielt. According to a further embodiment, the catalyst layer of the electrode is formed in such a way that the catalyst loading is 0.1-500 mg cm -2 , in particular 1-250 mg cm -2 , for example 2-10 mg cm -2 . The catalyst loading can be measured are measured by weight before and after application of the catalyst layer to the support material. From areas of 0.5 to 1 mg cm -2 , the active centers can usually be distributed, with which a significant conversion can be achieved. With a catalyst loading of more than 250 mg cm -2 only a small additional effect is achieved.
Wesentlich für die Menge der aktiven Zentren ist auch die Schichtdicke, wobei allerdings auch dickere Schichten bei Zugabe eines Leitfähigkeit-Additivs gute Ergebnisse liefern. Im Grundsatz ist es aber möglich, sehr dünne Schichten (im Bereich weniger Nanometer, beispielsweise eines Werts von bis zu 10 nm) vorzusehen, aber auch dickere Schichten mit bis zu 500 pm sind möglich, wobei Obergrenzen sehr schwer anzugeben sind, denn sie hängen sehr stark vom Katalysatormaterial ab. Häufig wird man aus ökonomischen Gründen Schichtdicken von 5 bis 50 pm verwenden (die Schichtdicke kann dabei mittels Rasterelektronenmikroskopie gemessen werden). The layer thickness is also important for the number of active centers, although thicker layers can also deliver good results if a conductivity additive is added. In principle, however, it is possible to provide very thin layers (in the range of a few nanometers, for example a value of up to 10 nm), but thicker layers of up to 500 μm are also possible, with upper limits being very difficult to specify because they are very dependent strongly from the catalyst material. For economic reasons, layer thicknesses of 5 to 50 μm are often used (the layer thickness can be measured by means of scanning electron microscopy).
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner auch durch eine elektrochemische Zelle zur elektrochemischen Hydrierung gelöst, die als Elektrode, insbesondere als Katode, die vorstehend näher beschriebene Elektrode enthält. Die elektrochemische Zelle zur elektrokatalytischen Hydrierung weist insbesondere einen Reaktor auf, in dem eine Kathode, eine Anode und ein Elektrolyt enthalten sind, wobei im Reaktor eine reduzierbare organische Verbindung in flüssiger oder in zumindest teilweise in gelöster Form vorliegt und wobei die reduzierbare organische Verbindung an der Kathode hydriert werden kann. Die Elektrode weist dabei eine Katalysatorschicht und eine Trägerschicht auf, wie sie vorstehend näher beschrieben sind. The object according to the invention is also achieved by an electrochemical cell for electrochemical hydrogenation, which contains the electrode described in more detail above as the electrode, in particular as the cathode. The electrochemical cell for electrocatalytic hydrogenation has in particular a reactor in which a cathode, an anode and an electrolyte are contained, with a reducible organic compound being present in liquid or at least partially dissolved form in the reactor and the reducible organic compound being present on the Cathode can be hydrogenated. In this case, the electrode has a catalyst layer and a carrier layer, as described in more detail above.
Die anmeldungsgemäße elektrochemische Zelle ist insbesondere nicht zur Erzeugung eines Gases ausgelegt. Sie ist also apparativ so ausgestaltet, dass zwar gewährleistet ist, dass ein Gas als Nebenprodukt entsteht, die hydrierte organische Verbindung aber als Hauptprodukt entstehen kann. Insbesondere bedeutet das, dass der bei der elektrokatalytischen Hydrierung häufig entstehende Wasserstoff maximal 50 % (bezogen auf die Gesamtstromausbeute) beträgt, sofern einigermaßen sinnvolle Reaktionsbedingungen realisiert werden. Meistens ist der Anteil des entstehenden Wasserstoffs sogar kleiner als 20 %. Im Idealfall wird die Entstehung von Wasserstoff weitestgehend vermieden, sodass nur noch Werte im einstelligen Prozent-Bereich auftreten. In particular, the electrochemical cell according to the application is not designed to generate a gas. The apparatus is therefore designed in such a way that it is ensured that a gas is produced as a by-product, but the hydrogenated organic compound can be produced as the main product. In particular, this means that the hydrogen frequently formed in the electrocatalytic hydrogenation is at most 50% (based on the total current yield), provided that reasonably reasonable reaction conditions are implemented. In most cases, the proportion of the resulting hydrogen is even less than 20%. Ideally, the formation of hydrogen largely avoided, so that only values in the single-digit percentage range occur.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich auch durch die Verwendung eines Übergangsmetallchalkogenids, insbesondere eines Übergangsmetallchalkogenids ausgewählt aus Verbindungen, die im Wesentlichen der Summenformel MX, MX2, M2X3, M2X4, M3X4I M9X8 oder M"6MkX|X'm entsprechen, beispielsweise eines Pentlandits als Katalysator für die elektrokatalytische Hydrierung organischer Verbindungen gelöst. Besonders vorteilhaft ist hierbei der Einsatz der weiter oben näher spezifizierten Verbindungen, wobei das oben Gesagte auch hier gleichermaßen gilt. Finally, the object according to the invention is also achieved through the use of a transition metal chalcogenide, in particular a transition metal chalcogenide selected from compounds which essentially have the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4I M 9 X 8 or M" 6 M k X | X' m correspond, for example, to a pentlandite as a catalyst for the electrocatalytic hydrogenation of organic compounds.The use of the compounds specified in more detail further above is particularly advantageous here, with what was said above also applying equally here.
Ohne Einschränkung der Allgemeinheit wird die Erfindung nachfolgend noch näher anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen beschrieben. Without restricting the generality, the invention is described in more detail below with reference to figures and exemplary embodiments.
I. Elektrokatalvse im Batchbetrieb I. Electrocatalysts in batch operation
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde zunächst mit einer elektrochemischen Zelle im Batch-Betrieb durchgeführt. Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrochemischen Batch-Zelle 1 mit zwei Halbzellen 2, 3. Die Kathoden-Halbzelle 3 enthält neben der Katholyt-Kammer 37 die Kathode mit der eigentlichen Elektrode 32, der Endplatte 31 und dem Elektrodenhalter 33 sowie die Referenzelektrode 36. Die Anoden-Halbzelle 2 enthält neben der Anolyt-Kammer 24 die Anode mit der eigentlichen Elektrode 22 und der Endplatte 21. Zwischen den beiden Kammern 2, 3 ist eine lonen- Austausch-Membran 4 vorgesehen. Dazwischen sind mehrere Dichtungen 23, 25, 5, 34, 35 angeordnet. The method according to the invention was initially carried out using an electrochemical cell in batch operation. Figure 1 shows a schematic view of an electrochemical batch cell 1 with two half-cells 2, 3. In addition to the catholyte chamber 37, the cathode half-cell 3 contains the cathode with the actual electrode 32, the end plate 31 and the electrode holder 33 as well as the reference electrode 36 In addition to the anolyte chamber 24, the anode half-cell 2 contains the anode with the actual electrode 22 and the end plate 21. An ion exchange membrane 4 is provided between the two chambers 2, 3. A plurality of seals 23, 25, 5, 34, 35 are arranged in between.
Beispiel 1 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-Katalvse Example 1 - Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite Catalysts
Die Zelle gemäß Fig. 1 wird für die elektrokatalytische Hydrierung von 2-Methyl-3-Butin- 2-ol (MBY) zu 2-Methyl-3-Buten-2-ol (MBE) bzw. 2-Methyl-Butan-2-ol (MBA) bei Raumtemperatur eingesetzt. Die Reaktion wird hier und im Folgenden in etwa auf der Stufe des Alkens gestoppt, kann aber bei entsprechenden Reaktionsbedingungen auch so lange durchgeführt werden, bis im Wesentlichen nur noch das Alkan vorliegt. Als Kathode wurden vollständig aus Metall-Chalkogenid bestehende, nicht poröse Katalysatoren auf Pentlandit-Basis eingesetzt. Als Anode wurde Ni-Draht verwendet. Als Membran wurde eine Nafion Kationentauscher-Membran verwendet. Es wurde eine 1 M Lösung von MBY in einer Lösungsmittel/Leitsalz- Kombination von 0,3 M KOH in Methanol eingesetzt. Die Kathode hatte eine Fläche von 0.071 cm2 und wurde über einen Messingstab in einem PTFE-Gehäuse kontaktiert. Die elektrokatalytische Reduktion erfolgte 2 Stunden lang. The cell according to FIG. 1 is used for the electrocatalytic hydrogenation of 2-methyl-3-butyn-2-ol (MBY) to 2-methyl-3-buten-2-ol (MBE) or 2-methyl-butan-2 -ol (MBA) used at room temperature. Here and below, the reaction is stopped approximately at the alkene stage, but under appropriate reaction conditions it can also be carried out until essentially only the alkane is still present. All metal chalcogenide non-porous cathodes were used as the cathode Pentlandite-based catalysts used. Ni wire was used as the anode. A Nafion cation exchange membrane was used as the membrane. A 1 M solution of MBY in a solvent/conductive salt combination of 0.3 M KOH in methanol was used. The cathode had an area of 0.071 cm 2 and was contacted via a brass rod in a PTFE housing. The electrocatalytic reduction was carried out for 2 hours.
Tab.1 zeigt für verschiedene Katalysatoren auf Pentlandit-Basis (die Pentlandit- Katalysatoren wurden dabei mittels thermischer Synthese aus den jeweiligen Elementen gemäß B. Konkena et al., Nat. Commun. 7: 12269 doi: 10.1038/ncomms12269 (2016) erhalten, wobei stets über 90 Gew.-% - gemessen mit PXRD - in der Pentlanditstrukur Vorlagen) welche Faraday-Effizienzen bezogen auf die erwünschte Reduktion zu MBE bei der Reaktion gemäß Beispiel 1 erreicht wurden und welche Potenziale (gegenüber einer reversiblen Wasserstoffelektrode ERHE als Referenzelektrode) bei einer Stromdichte von -100 mA cm-2 für die Elydrierung erforderlich waren. Es zeigt sich, dass Faraday- Effizienzen bis zu 100% erreicht werden können und dass durchgängig niedrigere Potenziale als bei der Verwendung von Platin-Elektroden erforderlich waren. Die Potenziale wurden anmeldungsgemäß stets mittels eines Gamry 101 OB Potentiostats ermittelt. Ausbeuten wurden erfindungsgemäß stets NMR-spektroskopisch mittels Kaliumhydrogenphtalat als internem Standards bestimmt. Tab. 1 Fig. 2 zeigt für Beispiel 1 mit Fe3Ni6S8 als Katalysator die erforderlichen Potenziale (E/V) für eine Stromdichte von -100 mA cm-2 und die erreichten Farraday-Effizienzen (FE) im Vergleich zu Versuchen, bei denen eine Platin-Elektrode bzw. eine Glaskohlenstoff- Elektrode. Es zeigt sich, dass nur bei Fe3Ni6S8 als Katalysator eine signifikante Effizienz beobachtet wird und gleichzeitig ein niedrigeres bzw. deutlich niedrigeres Potenzial erforderlich ist als bei den vergleichsweise untersuchten Elektroden. Table 1 shows for various catalysts based on pentlandite (the pentlandite catalysts were obtained by means of thermal synthesis from the respective elements according to B. Konkena et al., Nat. Commun. 7: 12269 doi: 10.1038/ncomms12269 (2016), always more than 90% by weight - measured with PXRD - in the pentlandite structure templates) which Faraday efficiencies were achieved based on the desired reduction to MBE in the reaction according to Example 1 and which potentials (compared to a reversible hydrogen electrode E RH E as reference electrode ) at a current density of -100 mA cm -2 were required for the lydration. It turns out that Faraday efficiencies of up to 100% can be achieved and that lower potentials than when using platinum electrodes were required throughout. According to the application, the potentials were always determined using a Gamry 101 OB potentiostat. According to the invention, yields were always determined by NMR spectroscopy using potassium hydrogen phthalate as an internal standard. Table 1 Fig. 2 shows for example 1 with Fe 3 Ni 6 S 8 as a catalyst, the required potentials (E / V) for a current density of -100 mA cm -2 and the achieved Farraday efficiencies (FE) in comparison to experiments in which a platinum electrode or a glassy carbon electrode. It can be seen that only with Fe 3 Ni 6 S 8 as a catalyst is a significant efficiency observed and at the same time a lower or significantly lower potential is required than with the comparatively examined electrodes.
Beispiel 2 - elektrokatalvtische Flvdrieruna von Butindiol mit Pentlandit-Katalvse Example 2 - Electrocatalytic fluxing of butynediol with pentlandite catalysts
In einer elektrochemischen Zelle gemäß Beispiel 1 wurde die Selektivität der Flydrierung von 2-Butin-1 ,4-diol mit zwei bereits in Beispiel 1 verwendeten Pentlanditen und unterschiedlichen Leitsalz/Lösungsmittel-Kombinationen untersucht (MeOFI = Methanol): In an electrochemical cell according to example 1, the selectivity of the flydration of 2-butyne-1,4-diol was examined with two pentlandites already used in example 1 and different conducting salt/solvent combinations (MeOFI=methanol):
Tabelle 2 zeigt, dass bei dieser Reaktion mit Fe3Ni6S8 im Wesentlichen das cis-Produkt gebildet wird, während Fe3Co3Ni3S8 zu einer verstärkten Bildung des trans-Produkts führt. Die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und KOFI als Leitsalz zeigt die beste Selektivität und die günstigsten Potenzialwerte. Table 2 shows that in this reaction with Fe 3 Ni 6 S 8 essentially the cis product is formed, while Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 leads to an increased formation of the trans product. The use of water as the solvent and KOFI as the conductive salt shows the best selectivity and the most favorable potential values.
Tab.2: Tab.2:
Beispiel 3 - elektrokatalvtische Flvdrieruna von MBY mittels -Katalvse Die M"6MkXmX'n_Katalysatoren wurden mittels Hotchtemperatursynthese in evakuierten Ampullen hergesteil. Hierbei wurden stöchiometrische Mengen der jeweiligen Elementen in einer Quarzglasampulle für 96 h im Ofen bei einer Temperatur, die typischerweise zwischen 650 und 800 liegt behandelt. Die zu wählende Temperatur hängt dabei von der verwendeten Stöchiometrie ab. Ba6Ni25 : 675 °C, Ba6Fe12,5Co25 : 675 °C, Example 3 - Electrocatalytic Flvdriuna of MBY by means of catalysis The M" 6 M k X m X' n _catalysts were produced by means of hotch temperature synthesis in evacuated ampoules. Stoichiometric amounts of the respective elements were treated in a quartz glass ampule for 96 h in an oven at a temperature that is typically between 650 and 800. The The temperature chosen depends on the stoichiometry used: Ba 6 Ni 25 : 675 °C, Ba 6 Fe 12.5 Co 25 : 675 °C,
Ba6Fe 8 ,33Co 8 ,33Ni 8 ,33:700 °C. Ba6Fe125Co25anschließend weitere 96h bei 775°C und Ba6Fe 8 ,33Co 8 ,33Ni 8 ,33 weitere 96h bei 800°C getempert. Die erfolgreiche Synthese der Katalysatoren kann mittels PXRD Analyse bestätigt werden. Ba 6 Fe 8.33 Co 8.33 Ni 8.33 : 700°C. Ba 6 Fe 125 Co 25 then tempered for a further 96 h at 775°C and Ba 6 Fe 8 .33 Co 8 .33 Ni 8 .33 for a further 96 h at 800°C. The successful synthesis of the catalysts can be confirmed by PXRD analysis.
In einer elektrochemischen Zelle gemäß Beispiel 1 wurde die Selektivität der Hydrierung von 2-Butin-1 ,4-diol untersucht. Im Unterschied zu den Beispielen 1 und 2 wurden als Kathode vollständig aus Metall-Chalkogenid bestehende, nicht poröse Katalysatoren auf M"6MkXmX'n -Basis eingesetzt. Die Reaktion wurde mit einer 1M MBY-Fösung in 0,3M KOH/H20 bzw. 0,3M KOH/MeOH als Feitsalz/Fösungsmittel durchgeführt, wobei Butendiol erhalten wird. Tabelle 3 zeigt, dass sich alle Materialien für eine elektrokatalytische Hydrierung eignen. In an electrochemical cell according to example 1, the selectivity of the hydrogenation of 2-butyne-1,4-diol was examined. In contrast to Examples 1 and 2, non-porous catalysts based entirely on metal chalcogenide were used as the cathode. The reaction was carried out using a 1M MBY solution in 0.3M KOH /H 2 0 or 0.3M KOH/MeOH as a fine salt/solvent, with butenediol being obtained Table 3 shows that all the materials are suitable for an electrocatalytic hydrogenation.
Tab. 3 Table 3
Beispiel 4 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit MX- und MX2-Katalvse Example 4 - Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with MX and MX 2 Catalysts
Die Reaktion gemäß Beispiel 1 wurde mit Übergangsmetallsulfiden der Summenformeln MS und MS2als Katalysator mit einer 1M MBY-Fösung in 0,3M KOH/H20 alsThe reaction according to Example 1 was carried out using transition metal sulfides of the empirical formulas MS and MS 2 as a catalyst with a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O as
Feitsalz/Fösungsmittel durchgeführt, wobei MBE erhalten wird. Zum Vergleich gibt die letzte Zeile ein Beispiel für einen Katalysator mit Pentlandit Struktur (Fe3Ni6S8 aus Beispiel 1). Tab. 4 zeigt die erforderlichen Potenziale (E/V) für eine Stromdichte von -100 mA cm-2 und die erreichten Faraday-Effizienzen (FE). carried out fat salt / solvent, whereby MBE is obtained. For comparison, the last line gives an example of a catalyst with a pentlandite structure (Fe 3 Ni 6 S 8 from example 1). Tab. 4 shows the required potentials (E/V) for a current density of -100 mA cm -2 and the achieved Faraday efficiencies (FE).
Tab. 4: Beispiel 5 - elektrokatalvtische Hydrierung von Nitroverbindungen, Aldehyden und terminalen Alkinen mit Pentlandit-Katalvse Table 4: Example 5 - Electrocatalytic hydrogenation of nitro compounds, aldehydes and terminal alkynes with pentlandite catalysts
Auch andere funktionelle Gruppen als disubsitituierte Alkine können mit der erfindungsgemäßen Hydrierung reduziert werden. Die Reaktion wurde unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt zusätzlich gibt Tab. 5 die verwendeten Leitzsalze, Lösungsmittel, Konzentrationen und (auch in Beispiel 1 verwendeten) Pentlandit-Katalysatoren an. Functional groups other than disubstituted alkynes can also be reduced with the hydrogenation according to the invention. The reaction was carried out under the same conditions as in Example 1. In addition, Table 5 specifies the conductive salts, solvents, concentrations and (also used in Example 1) pentlandite catalysts used.
Tab. 5: Table 5:
Beispiel 6 - elektrokatalvtische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-Katalvse in einer Feststoffelektrolytzelle unter Verwendung unterschiedlicher Elektrodenkonzepte Die Reaktion gemäß Beispiel 1 wurde statt mit vollständig aus Metall-Chalkogenid bestehenden Elektroden auch mit anderen Elektrodenkonzepten durchgeführt, nämlich Elektroden mit Pentlandit-Beschichtung, mit gepresster Katalysatormasse bzw. mit auf ein Metallgitter gepresster Katalysatormasse. Für die beschichtete Elektrode wurde ein Sigracell GFD 2.5 Kohlenstofffließ wurde in einer Tinte bestehend aus 90 Gew.-% Fe3Ni6S8 und 10 Gew-% PTFE mehrmals eingetaucht und bei 80°C getrocknet bis die gewünschte Katalysatorbeladung (5 mg*cm-2) erreicht wurde. Im Unterschied zu Beispiel 1 wurde eine 1 M MBY-Lösung in 0,3 M KOEI/EI2O als Leitsalz/Lösungsmittel eingesetzt, bei 80 mA cm-2 sowie in einer Feststoffelektrolytzelle durchgeführt. Die erzeugten Elektroden erreichten eine Faraday- Effizienz von 25 % bzgl. MBE und 5 % bzgl. MBA bei einer Zellspannung von 2.5 V. Example 6 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite Catalysts in a Solid Electrolyte Cell Using Different Electrode Concepts The reaction according to Example 1 was also carried out with other electrode concepts instead of with electrodes consisting entirely of metal chalcogenide, namely electrodes with a pentlandite coating, with a pressed catalyst mass or with a catalyst mass pressed onto a metal grid. For the coated electrode, a Sigracell GFD 2.5 carbon fleece was dipped several times in an ink consisting of 90% by weight Fe 3 Ni 6 S 8 and 10% by weight PTFE and dried at 80°C until the desired catalyst loading (5 mg*cm -2 ) was reached. In contrast to Example 1, a 1M MBY solution in 0.3M KOEI/EI2O was used as the conductive salt/solvent, carried out at 80 mA cm -2 and in a solid electrolyte cell. The electrodes produced achieved a Faraday efficiency of 25% in terms of MBE and 5% in terms of MBA at a cell voltage of 2.5 V.
Für eine Elektrode mit gepresster Katalysatormasse wurde eine Mischung aus Kynar Superflex 2501 PVDF und Fe 4.5Ni 4.5S7Se wurde mittels einer IKA M20 Messermühle zusammengemischt. Die erzeugte Masse wurde bei 170°C und einem Anpressdruck von 1 kN cm-2 heißgepresst. Alternativ können statt PVDF auch andere Thermoplasten verwendet werden. Gegebenenfalls können leitfähige Additive zugesetzt werden, um die Leitfähigkeit zwischen den aktiven Zentren zu erhöhen. Im Unterschied zu Beispiel 1 wurde wieder eine 1 M MBY-Lösung in 0,3 M KO H/H2O als Leitsalz/Lösungsmittel sowie in einer Feststoffelektrolytzelle durchgeführt. Tabelle 6 zeigt die erforderlichen Zellspannungen (U/V) für eine Stromdichte von 80 mA cm-2 in der Feststoffelektrolytzelle. For a pressed catalyst mass electrode, a mixture of Kynar Superflex 2501 PVDF and Fe 4.5 Ni 4 . 5 S 7 Se was mixed together using an IKA M20 knife mill. The mass produced was hot-pressed at 170° C. and a contact pressure of 1 kN cm -2 . Alternatively, other thermoplastics can also be used instead of PVDF. Optionally, conductive additives can be added to increase the conductivity between the active sites. In contrast to Example 1, a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O was again carried out as the conductive salt/solvent and in a solid electrolyte cell. Table 6 shows the required cell voltages (U/V) for a current density of 80 mA cm -2 in the solid electrolyte cell.
Tab. 6 Für eine Elektrode mit einer auf ein Metallgitter gepressten Katalysatormasse wurde eine Mischung aus Kynar Superflex 2501 PVDF und Fe3Co3Ni3S8 mittels einer IKA M20 Messermühle. Die erzeugte Masse wurde auf ein Edelstahlgitter (Flaver & Boecker, 0,2mm x 0.16 mm) bei 170°C und einem Anpressdruck von 2 kN cm-2 gepresst. Die erzeugte Elektrode weist eine erhöhte mechanische Stabilität auf. Im Unterschied zu Beispiel 1 wurde wieder eine 1 M MBY-Lösung in 0,3 M KOH/H2O als Leitsalz/Lösungs- mittel sowie in einer Feststoffelektrolytzelle durchgeführt. Tabelle 7 zeigt die erforderlichen Zellspannungen (UA/) für eine Stromdichte von 80 mA cm-2 in einer Feststoffelektrolytzelle. Tab. 7 Table 6 For an electrode with a catalyst mass pressed onto a metal grid, a mixture of Kynar Superflex 2501 PVDF and Fe 3 Co 3 Ni 3 S 8 was milled using an IKA M20 knife mill. The mass produced was pressed onto a stainless steel grid (Flaver & Boecker, 0.2 mm×0.16 mm) at 170° C. and a contact pressure of 2 kN cm -2 . The electrode produced has increased mechanical stability. In contrast to Example 1, a 1M MBY solution in 0.3M KOH/H 2 O was again carried out as the conductive salt/solvent and in a solid electrolyte cell. Table 7 shows the required cell voltages (UA/) for a current density of 80 mA cm -2 in a solid electrolyte cell. Table 7
II. Elektrokatalvse mit einer Durchflusszelle II. Electrocatalysis with a flow cell
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde zunächst mit einer elektrochemischen Zelle im Batch-Betrieb durchgeführt. Figur 3 zeigt eine schematische Ansicht einer elektrochemischen Durchfluss-Zelle 101 mit zwei Halbzellen 102, 103. Die Kathoden- Halbzelle 103 enthält neben der Katholyt-Kammer 135 die Kathode mit der eigentlichen Elektrode 133 und der Endplatte 131 sowie die Referenzelektrode 136. Die Katholyt- Kammer 135 wird über eine Pumpe 137 mit Katholyt aus dem Reservoir 138 versorgt. Die Anoden-Elalbzelle 102 enthält neben der Anolyt-Kammer 125 die Anode mit der eigentlichen Elektrode 123 und der Endplatte 121. Die Anolyt-Kammer 125 wird über eine Pumpe 126 mit Anolyt aus dem Reservoir 127 versorgt. Zwischen den beiden Kammern 102, 103 ist eine lonen-Austausch-Membran 104 (in den folgenden Beispielen wurde beispielsweise eine Kation-Austausch Membran FS-10120-PK verwendet) vorgesehen. Dazwischen sind mehrere Dichtungen 122, 124, 132, 134 sowie die membranhaltenden Dichtungen 105, 106 angeordnet. The method according to the invention was initially carried out using an electrochemical cell in batch operation. Figure 3 shows a schematic view of an electrochemical flow cell 101 with two half-cells 102, 103. The cathode half-cell 103 contains the catholyte chamber 135, the cathode with the actual electrode 133 and the end plate 131 and the reference electrode 136. The catholyte Chamber 135 is supplied with catholyte from reservoir 138 via pump 137 . In addition to the anolyte chamber 125, the anode Elalb cell 102 contains the anode with the actual electrode 123 and the end plate 121. The anolyte chamber 125 is supplied with anolyte from the reservoir 127 via a pump 126. An ion exchange membrane 104 (in the following examples, for example, a cation exchange membrane FS-10120-PK was used) is provided between the two chambers 102, 103. A plurality of seals 122, 124, 132, 134 and the membrane-retaining seals 105, 106 are arranged in between.
Die Übergangsmetallchalkogenid-haltigen Elektroden wurden hergestellt, indem auf ein poröses Kohlenstoff-haltiges Trägermaterial, beispielsweise auf ein Kohlefasergewebe, ein Gemisch des Übergangsmetallchalkogenids mit einem Binder, beispielsweise PTFE, aufgesprüht wurde bzw. in Form einer heißpressbaren Masse auf das Trägermaterial aufgebracht wurde. Das Aufsprühen kann z.B. mittels 15 mL einer Tinte aus 5 Gew.-% PTFE, und 85 Gew.-% Fe3Ni6S8 auf ein 10cm x 10 cm W1S1010 CeTech Carbon Cloth erfolgen, wobei dann eine Katalysatorbeladung von 2 mg cm-2 erreicht wird. Das Fleißpressen erfolgt unter Verwendung eines Gemischs aus vermahlenem PTFE Pulver mit dem Übergangsmetallchalkogenid-Katalysator und eines 10cm x 10cm Kohlenstoffsubstrats, welches eine aktive Fläche von 9cm x 7 cm aufweist. The transition metal chalcogenide-containing electrodes were produced by applying a porous carbon-containing carrier material, for example a carbon fiber fabric, a mixture of the transition metal chalcogenide with a binder, for example PTFE, was sprayed on or applied to the carrier material in the form of a hot-pressable mass. Spraying can be done, for example, using 15 mL of an ink made of 5% by weight PTFE and 85% by weight Fe 3 Ni 6 S 8 onto a 10 cm x 10 cm W1S1010 CeTech Carbon Cloth, with a catalyst loading of 2 mg cm - 2 is reached. The stress pressing is carried out using a mixture of ground PTFE powder with the transition metal chalcogenide catalyst and a 10 cm x 10 cm carbon substrate, which has an active area of 9 cm x 7 cm.
Auf diese Weise sind deutlich einfacher größere Elektroden-Flächen erzeugbar. Mit diesen höherflächigen Elektroden können - verglichen mit den unter I. beschriebenen Zellen - auch deutlich höhere Stromdichten realisiert werden, beispielsweise Stromdichten von bis zu 1 A cm-2. In this way, larger electrode surfaces can be produced much more easily. Compared to the cells described under I., significantly higher current densities can also be realized with these larger-area electrodes, for example current densities of up to 1 A cm -2 .
Beispiel 7 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichteten Elektroden mit unterschiedlichen Bindern und Stromdichten Example 7 - Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes with different binders and current densities
In einer Durchflusszelle gemäß Figur 3 wird eine 1 M Lösung von MBY in 0,3 M KOFI in H2O unter Verwendung einer Elektrode mit einer Katalysatorbeladung des Pentlandits Fe3Ni6S8 (FHerstellung wie in Beispiel 1) von 2 mg cm-2 bei Raumtemperatur hydriert. Die Elektrolytkammer besitzt ein Volumen von 15 mL, die Durchflussgeschwindigkeit beträgt 8 mL min-1. Die elektrokatalytische Reduktion erfolgte 2 Stunden lang. Die Katode wurde hergestellt, indem der Katalysator auf das Trägermaterial mittels einer Tinte aufgesprüht wurde, wobei die Größe der wie vorstehend beschriebenen Elektrode mit einseitiger, durch Besprühen erhalteter Beschichtung 7,1 cm-2 beträgt. Die Tinte enthält (A) 258 pL einer 60 Gew.-% PTFE Dispersion als Binder, 15g einer 1 Gew-%igen Methylcellulose (MC) in Wasser als inertes Additiv, 5g Wasser als Lösungsmittel sowie 1g des Katalysators bzw. (B) 258 pL einer 60 Gew.-% PTFE Dispersion als Binder und 15g iso-Propanol (IPA) sowie 5g Wasser als Lösungsmittel sowie 1g des Katalysators. In a flow cell according to FIG. 3, a 1 M solution of MBY in 0.3 M KOFI in H 2 O using an electrode with a catalyst loading of pentlandite Fe 3 Ni 6 S 8 (F production as in Example 1) of 2 mg cm - 2 hydrogenated at room temperature. The electrolyte chamber has a volume of 15 mL, the flow rate is 8 mL min -1 . The electrocatalytic reduction was carried out for 2 hours. The cathode was prepared by spraying the catalyst onto the substrate by means of an ink, the size of the electrode with one side spray coating obtained as described above being 7.1 cm -2 . The ink contains (A) 258 pL of a 60% by weight PTFE dispersion as a binder, 15g of a 1% by weight methylcellulose (MC) in water as an inert additive, 5g of water as a solvent and 1g of the catalyst or (B) 258 pL of a 60% by weight PTFE dispersion as a binder and 15g isopropanol (IPA) and 5g water as a solvent and 1g of the catalyst.
Figur 4A zeigt für eine Stromdichte von -100 mA cm-2, dass die Zusammensetzung der Tinte nur eine geringe Auswirkung auf das erforderliche Potenzial hat. Figur 4B zeigt allerdings, dass bei der Verwendung von IPA-Tinten etwas bessere Ausbeuten (Y) und Faraday-Effizienzen (FE) und eine etwas bessere Selektivität hinsichtlich des Stoppens der Reduktion beim Alken (MBE) zu verzeichnen ist und nur verhältnismäßig wenig Alkan (MBA) gebildet wird. Die etwas besseren Ausbeuten bei der IPA-Tinte dürften auf besser freiliegende aktive Zentren zurückzuführen sein. Figure 4A shows for a current density of -100 mA cm -2 that the composition of the ink has little effect on the required potential. Figure 4B shows, however, that when using IPA inks slightly better yields (Y) and Faraday efficiencies (FE) and a slightly better selectivity in terms of stopping the Reduction in the alkene (MBE) is recorded and only relatively little alkane (MBA) is formed. The slightly better yields with the IPA ink are probably due to better exposed active centers.
Figur 5A und 5B zeigen für die Tinte auf die IPA-Basis den Einfluss der Stromdichte auf das erforderliche Potenzial (EL/) und auf die Ausbeute (Y) bzw. Faraday-Effizienz (FE). Es zeigt sich (Fig. 5A), dass die Stromdichte keinen signifikanten Einfluss auf das erforderliche Potenzial hat. Die Faraday-Effizienz nimmt bei höheren Stromdichten (CD) zwar ab; allerdings bleiben Ausbeute und Selektivität (MBE/MBA) einigermaßen konstant (Fig. 5B). Beispiel 8 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichteten Elektroden mit unterschiedlichen Bindern-Gehalten Figures 5A and 5B show the influence of current density on the required potential (EL/) and on the yield (Y) and Faraday efficiency (FE) for the IPA-based ink. It turns out (Fig. 5A) that the current density has no significant influence on the required potential. The Faraday efficiency decreases at higher current densities (CD); however, yield and selectivity (MBE/MBA) remain fairly constant (Figure 5B). Example 8 - Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes with different binder contents
Die Durchführung von Beispiel 8 entspricht der von Beispiel 7 / IPA-Tinte mit dem Unterschied, dass die eingesetzte Tinte einen variierenden Gehalt des Binders PTFE enthält. Es wurden Versuche mit 10, 15 und 25 Gew.-% PTFE bezogen auf das Gesamtgewicht der Katalysatorschicht durchgeführt. The implementation of example 8 corresponds to that of example 7/IPA ink with the difference that the ink used contains a varying content of the binder PTFE. Tests were carried out with 10, 15 and 25% by weight of PTFE based on the total weight of the catalyst layer.
Figur 6A und 6B zeigen den Einfluss des Bindergehalts auf das erforderliche Potenzial (E/V) und auf die Ausbeute (Y) bzw. Faraday-Effizienz (FE). Es zeigt sich (Fig. 6A), dass ein erhöhter Binder-Gehalt nur einen sehr geringen Einfluss auf das erforderliche Potenzial hat. Allerdings nehmen Faraday-Effizienz und Ausbeute geringfügig ab; die Selektivität (M BE/MBA) bleibt einigermaßen konstant. Daraus kann abgeleitet werden, dass sich ein deutlich erhöhter Binder-Anteil zwar positiv im Elinblick auf die mechanische Stabilität auswirkt; zu hohe Binder-Gehalte führen allerdings meistens zu geringeren Ausbeuten. FIGS. 6A and 6B show the influence of the binder content on the required potential (E/V) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It can be seen (FIG. 6A) that an increased binder content has only a very small influence on the required potential. However, Faraday efficiency and yield decrease slightly; the selectivity (MBE/MBA) remains fairly constant. From this it can be deduced that a significantly increased proportion of binder has a positive effect on the mechanical stability; too high a binder content, however, usually leads to lower yields.
Beispiel 9 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichtetenExample 9 - Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite Coated
Elektroden mit unterschiedlichen Katalysator-Beladungen Die Durchführung von Beispiel 9 entspricht der von Beispiel 7 / IPA-Tinte mit einem PTFE- Gehalt von 10 Gew.-% mit dem Unterschied, dass mehr Tinte auf das Trägermaterial aufgesprüht wurde. Der Sprühvorgang wurde jeweils so lange durchgeführt, bis eine Beladung von 0,6, 1, 2 bzw. 5 mg cm-2 detektiert werden konnte. Figur 7A und 7B zeigen den Einfluss der Katalysator-Beladung (CL) auf das erforderliche Potenzial (E/V) und auf die Ausbeute (Y) bzw. Faraday-Effizienz (FE). Es zeigt sich (Fig.Electrodes with Different Catalyst Loadings The implementation of example 9 corresponds to that of example 7/IPA ink with a PTFE content of 10% by weight, with the difference that more ink was sprayed onto the carrier material. The spraying process was carried out until a loading of 0.6, 1, 2 or 5 mg cm -2 could be detected. FIGS. 7A and 7B show the influence of the catalyst loading (CL) on the required potential (E/V) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It turns out (Fig.
7A), dass sehr niedrige Katalysator-Beladungen zu einer Verschlechterung hinsichtlich des anzulegenden Potenzials führen. Eine Erhöhung der Beladung ab einem Wert von 1 mg cm-2 zieht allerdings keine signifikante Änderungen nach sich. Nur einen sehr geringen Einfluss auf das erforderliche Potenzial hat. Elöhere Beladungen führen allerdings zu größeren Ausbeuten; die Selektivität (M BE/MBA) bleibt einigermaßen konstant. 7A) that very low catalyst loadings lead to a deterioration in terms of the potential to be applied. However, increasing the loading from a value of 1 mg cm -2 does not result in any significant changes. Has very little impact on the required potential. Higher loadings, however, lead to higher yields; the selectivity (MBE/MBA) remains fairly constant.
Beispiel 10 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichteten Elektroden mit unterschiedlichen Katalysatoren und unterschiedlichen Membranen im Unterschied zu Beispiel 7 wurden die Polymerelektrolyt-Membranen der Durchflusszelle variiert. Einerseits wurde eine Protonen-Austausch-Membran (PEM) eingesetzt (Fumatech BWT GmbEI (FS- 10120-PK)); andererseits eine Anionen-Austausch- Membran (AEM) (Fumatech BWT GmbEI (FM-FAA-3-PK-130)). Ferner wurden im Unterschied zu Beispiel 7 unterschiedliche Katalysatoren eingesetzt. Die dafür verwendeten Tinten entsprechen denen aus Beispiel 7 / IPA-Basis, wobei allerdingsExample 10 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite-Coated Electrodes with Different Catalysts and Different Membranes In contrast to Example 7, the polymer electrolyte membranes of the flow cell were varied. On the one hand, a proton exchange membrane (PEM) was used (Fumatech BWT GmbEI (FS-10120-PK)); on the other hand, an anion exchange membrane (AEM) (Fumatech BWT GmbEI (FM-FAA-3-PK-130)). Furthermore, in contrast to Example 7, different catalysts were used. The inks used for this correspond to those from Example 7 / IPA base, although
15 Gew.-% PTFE als Binder eingesetzt wurden. Die Katalysatorbeladung betrug jeweils15 wt .-% PTFE were used as a binder. The catalyst loading was in each case
2 mg cm-2. 2 mg cm -2 .
Figur 8A und 8B zeigen den Einfluss der Membran (PEM bzw. AEM) auf das erforderliche Potenzial (EL/) und auf die Ausbeute (Y) bzw. Faraday-Effizienz (FE). Es zeigt sich (Fig.FIGS. 8A and 8B show the influence of the membrane (PEM or AEM) on the required potential (EL/) and on the yield (Y) or Faraday efficiency (FE). It turns out (Fig.
8A), dass die Protonen-Austausch-Membranen durchgängig zu besseren Ergebnissen hinsichtlich des erforderlichen Potenzials führen. Berücksichtigt man auch noch den verwendeten Katalysator, so stellt man jedoch fest, dass sich unterschiedliche Katalysatoren/Membran-Kombinationen ergeben, die besonders vorteilhaft sind. 8A) that the proton exchange membranes consistently lead to better results in terms of the required potential. However, if the catalyst used is also taken into account, it is found that there are different catalyst/membrane combinations that are particularly advantageous.
H insichtlich des Potenzials ist der Selen-haltige Katalysator Fe4,5Ni4,5S4Se4 bei PEM am besten und etwa gleich auf mit Fe2Co4Ni3S8; bei den AEM ist Fe2Co4Ni3S8 dagegen etwas schlechter als die anderen beiden Katalysatoren. Ein anderes Bild zeigt sich bei Ausbeuten und Faraday-Effizienzen. Hier liefert für beide Membranen Fe3Ni6S8 die besten Ergebnisse, wobei diese bei der Anionen-Austausch-Membran deutlich besser sind als bei der Protonen-Austausch-Membran. Fe 4.5Ni 4,5S4Se4 zeigt allerdings eine etwas schlechtere Selektivität hinsichtlich des Verhältnisses MBE/MBA. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Protonen-Austausch-Membranen zwar etwas energieeffizienter sind, da das erforderliche Potenzial niedriger ist, im Gegenzug aber auch niedrigere Ausbeuten liefern. In terms of potential, the selenium-containing catalyst Fe 4.5 Ni 4.5 S 4 Se 4 is best in PEM and about equal to Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 ; in the AEM, on the other hand, Fe 2 Co 4 Ni 3 S 8 is slightly worse than the other two catalysts. A different picture emerges for yields and Faraday efficiencies. Here, Fe 3 Ni 6 S 8 delivers the best results for both membranes, with these being significantly better for the anion exchange membrane than for the proton exchange membrane. However, Fe 4.5 Ni 4.5 S 4 Se 4 shows a somewhat poorer selectivity with regard to the MBE/MBA ratio. In summary, it can be stated that the proton exchange membranes are somewhat more energy efficient, since the required potential is lower, but in return also deliver lower yields.
Beispiel 11 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichteten Elektroden bei unterschiedlichen Temperaturen im Unterschied zu Beispiel 7 wurden die Hydrierungs-Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt. Example 11 - Electrocatalytic Hydrogenation of MBY with Pentlandite-Coated Electrodes at Different Temperatures In contrast to example 7, the hydrogenation reactions were carried out at different temperatures.
Figur 9A und 9B zeigen für verschiedene Reaktions-Temperaturen das erforderliche Potenzial (E/V) und auf die Ausbeute (Y) bzw. Faraday-Effizienz (FE). Im Ergebnis für höhere Temperaturen zwar zu einem etwas geringeren erforderlichen Potenzial; allerdings sind Ausbeute und Faraday-Effizienz bei Raumtemperatur etwas höher. Ein wesentlicher Einfluss auf die Selektivität ist nicht zu beobachten. FIGS. 9A and 9B show the required potential (E/V) and the yield (Y) or Faraday efficiency (FE) for different reaction temperatures. As a result, for higher temperatures, the potential required is somewhat lower; however, the yield and Faraday efficiency are slightly higher at room temperature. A significant influence on the selectivity is not observed.
Beispiel 12 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY mit Pentlandit-beschichteten Elektroden in einer Feststoffelektrolytzelle Example 12 - Electrocatalytic hydrogenation of MBY with pentlandite-coated electrodes in a solid electrolyte cell
Figur 10 zeigt eine schematische Ansicht einer Feststoffelektrolyt-Zelle 201 mit zwei Halbzellen 202, 203. Die Kathoden-Halbzelle 203 enthält neben dem Kathoden-Flowfield 234 die Kathode mit der eigentlichen Elektrode 235, der Ableiterplatte 233 und der Endplatte 231 sowie dem Kunstsstoffspacer 232. Das Kathoden-Flowfield 234 wird über eine Pumpe 236 mit Katholyt aus dem Reservoir 237 versorgt. Die Anoden-Halbzelle 202 enthält neben dem Anoden-Flowfield 224 die Anode mit der eigentlichen Elektrode 225, der Ableiterplatte 223 und der Endplatte 221 sowie dem Kunstsstoffspacer 222. Das Anoden-Flowfield 224 wird über eine Pumpe 226 mit Anolyt aus dem Reservoir 227 versorgt. Zwischen den beiden Kammern 202, 203 ist eine lonen-Austausch-Membran 204 vorgesehen. Dazwischen sind mehrere Dichtungen 205, 206 angeordnet. Figure 10 shows a schematic view of a solid electrolyte cell 201 with two half-cells 202, 203. In addition to the cathode flow field 234, the cathode half-cell 203 contains the cathode with the actual electrode 235, the conductor plate 233 and the end plate 231 as well as the plastic spacer 232. The cathode flow field 234 is supplied with catholyte from the reservoir 237 via a pump 236 . In addition to the anode flow field 224, the anode half cell 202 contains the anode with the actual electrode 225, the conductor plate 223 and the end plate 221 as well as the plastic spacer 222. The anode flow field 224 is supplied with anolyte from the reservoir 227 via a pump 226. An ion exchange membrane 204 is provided between the two chambers 202, 203. A plurality of seals 205, 206 are arranged in between.
Im Unterschied zu Beispiel 7 wurde kein Flüssigelektrolyt- sondern ein Polymerelektrolyt- System verwendet. Statt der Kationen-Austausch Membran FS-10120-PK wurde eine Anionen-Austausch-Membran FM-FAA-3-PK-130 verwendet. Ferner wurde wie in Beispiel 7 die IPA-Tinte, allerdings mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.-% eingesetzt. Die Stromdichte betrug statt -100 nur -80 mA cm-2. Es wurde eine Faraday-Effizienz von 67 % (hinsichtlich MBE) bei einer Zellspannung von -2.5 V erzielt. In contrast to example 7, no liquid electrolyte but a polymer electrolyte system was used. Instead of the FS-10120-PK cation exchange membrane, an FM-FAA-3-PK-130 anion exchange membrane was used. Furthermore, the IPA ink was used as in Example 7, but with a PTFE content of 10% by weight. The Current density was only -80 mA cm -2 instead of -100. A Faraday efficiency of 67% (in terms of MBE) was achieved at a cell voltage of -2.5 V.
Beispiel 13 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY in einer Feststoffelektrolytzelle mit Pentlandit-Elektroden bei unterschiedlichen Stromdichten Die Reaktion gemäß Beispiel 12 wurde (mit Fe3Ni6S8 beschichteten Elektroden) mit 1 M MBY in 0,3 M KOH/H2O zunächst bei unterschiedlichen Stromstärken wiederholt. Tabelle 8 zeigt, dass bei gleichbleibenden Reaktionszeiten (2 Stunden) und höheren Stromdichten die Faraday-Effizienz zwar abnimmt; allerdings steigt die Ausbeute. Example 13 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY in a Solid Electrolyte Cell with Pentlandite Electrodes at Different Current Densities different currents repeatedly. Table 8 shows that with the same reaction times (2 hours) and higher current densities, the Faraday efficiency decreases; however, the yield increases.
Weitere Erhöhungen der Selektivität und Umsatz für die gezielten Elydrierungsprodukte bei höheren Stromdichten können durch Anpassung des angewendeten Elektrolyts erreicht werden. Further increases in selectivity and conversion for the targeted lytion products at higher current densities can be achieved by adjusting the electrolyte used.
Tab. 8 Table 8
Beispiel 14 - elektrokatalytische Hydrierung von MBY in einer Feststoffelektrolytzelle mit Pentlandit-Elektroden mit unterschiedlichen Bindern Example 14 - Electrocatalytic hydrogenation of MBY in a solid electrolyte cell with pentlandite electrodes with different binders
Für die Reaktion gemäß Beispiel 12 wurden auch die Binder der Pentlandit-Beschichtung variiert. Zusätzlich wurden unterschiedliche lonenaustauschmembranen verwendet: die Anionenaustauschmembranen Piperion A80 (Versogen) und FM-FAA-3-PK-130 (Fumatech) sowie die Kationenaustauschmembran Nafion 115 (lonPower). Als Binder wurden sowohl fluorhaltige Polymere als auch die lonomere Piperion (Versogen), Aemion (lonomr) und Nafion (lonPower) eingesetzt. Die genannten lonomere haben dabei nicht nur die Funktion eines Binders sondern auch noch die Funktion eines die Feitfähigkeit erhöhenden Additivs. Die untersuchten Elektroden wurden mit Hilfe einer IPA Tinte bei einer Binderbeladung von 10 Gew.-% und Katalysatorbeladung von 2.5 mg cm-2 auf einem W1 S1010 Carbon Cloth (CeTech) hergestellt. Mit den genannten Membranen und den beschichteten Elektroden wurde die Reaktion gemäß Beispiel 10 bei 80 mA cm-2 durchgeführt. Tabelle 9 zeigt den Einfluss von unterschiedlichen Bindern auf die Hydrierungsreaktion. For the reaction according to Example 12, the binders of the pentlandite coating were also varied. In addition, different ion exchange membranes were used: the anion exchange membranes Piperion A80 (Versogen) and FM-FAA-3-PK-130 (Fumatech) and the cation exchange membrane Nafion 115 (lonPower). Fluorine-containing polymers as well as the ionomers Piperion (Versogen), Aemion (lonomr) and Nafion (lonPower) were used as binders. The ionomers mentioned not only have the function of a binder but also the function of an additive that increases conductivity. The electrodes examined were produced using an IPA ink with a binder loading of 10% by weight and a catalyst loading of 2.5 mg cm -2 on a W1 S1010 carbon cloth (CeTech). The reaction according to Example 10 was carried out at 80 mA cm -2 using the membranes mentioned and the coated electrodes. Table 9 shows the influence of different binders on the hydrogenation reaction.
Tab. 9 Table 9
Abhängig von der verwendeten Kombination ändert sich die Faraday-Effizienz für die Hydrierung. Hydrophobe Binder wie die genannten Fluor-haltigen Polymere zeigen generell eine höhere Faraday-Effizienz für die elektrochemische Hydrierung (wie mit PTFE, Nafion und PVDF gezeigt werden kann). Depending on the combination used, the Faraday efficiency for hydrogenation changes. Hydrophobic binders such as the mentioned fluorine-containing polymers generally show a higher Faraday efficiency for electrochemical hydrogenation (as can be shown with PTFE, Nafion and PVDF).
Beispiel 15 - elektrokatalYtische Hydrierung von MBY in einer Feststoffelektrolytzelle mit unterschiedlichen Katalysatoren (Vergleichsversuch) Die Reaktion gemäß Beispiel 12 wurden zum Vergleich des anmeldungsgemäßen auch mit Elektrokatalysatoren nach dem Stand der Technik durchgeführt. Zum Vergleich wurden Pd-basierte Elektroden (aktueller industrieller state-of-the-art) mit Pd Partikeln (Alfa Aesar, 0,35-0,8 miti) analog zu Beispiel 12 generiert. Ferner wurde Ni-Schaum (1 .6 mm, Goodfellow) direkt als Elektrodenmaterial verwendet. Tabelle 10 zeigt den Einfluss des Elektrokatalysators auf der Hydrierung von MBY. DieExample 15 Electrocatalytic Hydrogenation of MBY in a Solid Electrolyte Cell Using Different Catalysts (Comparative Experiment) To compare the reaction according to the application, the reaction according to Example 12 was also carried out with electrocatalysts according to the prior art. For comparison, Pd-based electrodes (current industrial state-of-the-art) with Pd particles (Alfa Aesar, 0.35-0.8 miti) were generated analogously to example 12. Furthermore, Ni foam (1.6 mm, Goodfellow) was used directly as the electrode material. Table 10 shows the influence of the electrocatalyst on the hydrogenation of MBY. The
Reaktion wurde gemäß Beispiel 12 wieder mit einer 1 M MBY-Lösung in 0,3 M KOH/H20 als Leitsalz/Lösungsmittel bei 80 mA cm-2 durchgeführt. Der Fe3Ni6S8-Katalysator zeigt etwas bessere Faraday-Effizienzen sowie Zellspannungen wie der industrielle Pd- Standard. Im Vergleich zum Ni-Schaum zeigt der Fe3Ni6S8 eine deutlich höhere Aktivität und Selektivität für die Flydrierung. Tab.10 Reaction was again carried out according to Example 12 with a 1 M MBY solution in 0.3 M KOH/H 2 O as conductive salt/solvent at 80 mA cm -2 . The Fe 3 Ni 6 S 8 catalyst shows slightly better Faraday efficiencies and cell voltages than the industrial Pd standard. Compared to the Ni foam, the Fe 3 Ni 6 S 8 shows a significantly higher activity and selectivity for the flydration. Tab.10
Beispiel 16 - elektrokatalytische Hydrierung von aromatischen Alkinen und Aldehyden mit Pentlandit-Katalyse Example 16 - Electrocatalytic hydrogenation of aromatic alkynes and aldehydes with pentlandite catalysis
Zur Herstellung der Elektrode wurde die IPA-Tinte mit einem PTFE-Gehalt von 10 Gew.- % auf ein Kohlenstofffließ (Sigracell GFD 2.5) aufgesprüht. Es wurde eine Fe3Ni6S8 - Beschichtung mit einer Beladung von 5 mg cm-2 aufgebracht. Analog zu Beispiel 7 wurde bei einer Stromdichte von 80 mA cm-2 die Reaktion einer 1 M Phenylacetylen-Lösung in 0,3 M KOFI/MeOFI als Leitsalz/Lösungsmittel durchgeführt. In der Feststoffelektrolytzelle wurde eine Kationen-Austausch-Membran (Nafion 115) eingesetzt. Bei der Flydrierung wurde eine Faraday-Effizienz von 30% (hinsichtlich Phenylethylen) bei einer Zellspannung von 2.2 V erreicht. Mit derselben Elektrode wurde unter denselben Bedingungen die Flydrierung einer 1 M Benzaldehyd-Lösung in 0,3 M Natriumacetat/MeOFI als Leitsalz/Lösungsmittel durchgeführt. Es wurde eine Faraday-Effizienz von 10% (hinsichtlich Benzylalkohol) bei einer Zellspannung von 4.0 V erreicht. To produce the electrode, the IPA ink with a PTFE content of 10% by weight was sprayed onto a carbon fleece (Sigracell GFD 2.5). An Fe 3 Ni 6 S 8 coating was applied with a loading of 5 mg cm -2 . Analogously to Example 7, the reaction of a 1 M phenylacetylene solution in 0.3 M KOFI/MeOFI as conductive salt/solvent was carried out at a current density of 80 mA cm -2 . A cation exchange membrane (Nafion 115) was used in the solid electrolyte cell. A Faraday efficiency of 30% (with respect to phenylethylene) was achieved at a cell voltage of 2.2 V during the flydration. The flydriation of a 1 M benzaldehyde solution in 0.3 M sodium acetate/MeOFI as conductive salt/solvent was carried out with the same electrode under the same conditions. A Faraday efficiency of 10% (with respect to benzyl alcohol) was achieved at a cell voltage of 4.0 V.

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . Verfahren zur elektrokatalytischen Hydrierung organischer Verbindungen in einer elektrochemischen Zelle, welche eine Kathode, eine Anode und einen Elektrolyten umfasst, wobei die reduzierbare organische Verbindung in flüssiger oder in zumindest teilweise in gelöster Form vorliegt und wobei die reduzierbare organische Verbindung an der Kathode hydriert wird, wobei die Kathode ein Übergangsmetallchalkogenid als Katalysator umfasst oder daraus besteht, wobei das Übergangsmetallchalkogenid ausgewählt ist aus Sulfiden, Seleniden und Telluriden. 1 . A method for the electrocatalytic hydrogenation of organic compounds in an electrochemical cell comprising a cathode, an anode and an electrolyte, the reducible organic compound being present in liquid or at least partially dissolved form and the reducible organic compound being hydrogenated at the cathode, wherein the cathode comprises or consists of a transition metal chalcogenide catalyst, the transition metal chalcogenide being selected from sulphides, selenides and tellurides.
2. Verfahren nach dem der vorhergehenden Anspruch, wobei die reduzierbare organische Verbindung mindestens eine Mehrfachbindung aufweist und insbesondere mindestens eine C-C-Mehrfachbindung, C-O- Doppelbindung, C-N-Mehrfachbindung, NO2-Gruppe oder N-N-Mehrfachbindung umfasst und/oder eine aromatische oder heteroaromatische Verbindung ist. 2. The method according to the preceding claim, wherein the reducible organic compound has at least one multiple bond and in particular comprises at least one CC multiple bond, CO double bond, CN multiple bond, NO 2 group or NN multiple bond and/or an aromatic or heteroaromatic one connection is.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reduzierbare organische Verbindung mindestens zwei unterschiedliche reduzierbare funktionelle Gruppen umfasst. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the reducible organic compound comprises at least two different reducible functional groups.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übergangsmetallchalkogenid im Wesentlichen der Summenformel MX, MX2, M2X3, M2X4I M3X4I M9X8I oder M"6MkXmX'n entspricht, wobei M für ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus den Übergangsmetallen der 4., 5. oder 6. Periode steht und 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the transition metal chalcogenide essentially corresponds to the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4I M 3 X 4I M 9 X 8I or M" 6 M k X m X' n , where M is one or more metals selected from the transition metals of the 4th, 5th or 6th period and
M" ausgewählt ist aus Alkali- und Erdalkalimetallen, wobei X für S, Se und Te steht und M" is selected from alkali and alkaline earth metals, where X is S, Se and Te, and
X1 für ein Halogenid sowie k, m und n für Dezimalzahlen stehen mit 24 ≤ k ≤ 25, 26 ≤ m ≤ 28 und 0 ≤ n ≤ 1 . X 1 is a halide and k, m and n are decimal numbers with 24≦k≦25, 26≦m≦28 and 0≦n≦1.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Übergangsmetallchalkogenid im Wesentlichen der Summenformel M2X4, M9X8, oder M"6MkXmX'n entspricht und M ausgewählt aus einem Übergangsmetall der 4. Periode der Gruppen 4 bis 10, und insbesondere für ein, zwei oder drei der Metalle Fe, Co und Ni steht oder zumindest eines oder mehrere dieser Metalle umfasst. 5. The method according to the preceding claim, wherein the transition metal chalcogenide essentially has the molecular formula M 2 X 4 , M 9 X 8 , or M" 6 M k X m X' n and M selected from a 4th period transition metal of groups 4 to 10, and in particular one, two or three of the metals Fe, Co and Ni or at least one or more of these metals.
6. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übergangsmetallchalkogenid der Formel M9X8 entspricht und zumindest teilweise in der Pentlandit-Struktur kristallisiert vorliegt und insbesondere eine Verbindungen der Formel Fe9-a-b-cNiaCobM'cS8-dSed ist, worin 6. The method according to one of the two preceding claims, wherein the transition metal chalcogenide corresponds to the formula M 9 X 8 and is present at least partially crystallized in the pentlandite structure and in particular a compound of the formula Fe 9-abc Ni a Co b M' c S 8- d Se d is where
- M1 ein Übergangsmetall der 4., 5. oder 6. Periode ist und insbesondere ausgewählt ist aus einem oder mehreren Metallen der Gruppe bestehend aus Ag,- M 1 is a transition metal of the 4th, 5th or 6th period and is selected in particular from one or more metals from the group consisting of Ag,
Cu, Zn, Cr, Nb, Cu, Zn, Cr, Nb,
- a eine Zahl von 0 bis 7 ist, insbesondere von 1 bis 6 - a is a number from 0 to 7, in particular from 1 to 6
- b eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 0 bis 8 - b is a number from 0 to 9, in particular from 0 to 8
- c eine Zahl von 0 bis 2 ist, insbesondere von 0 bis 1 - d eine Zahl von 0 bis 6 ist, insbesondere von 0 bis 4 - c is a number from 0 to 2, in particular from 0 to 1 - d is a number from 0 to 6, in particular from 0 to 4
- wobei die Summe a+b+c eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 3 bis 7. - where the sum a+b+c is a number from 0 to 9, in particular from 3 to 7.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Übergangsmetallchalkogenid der Fe9-a-b-cNiaCobM'cS8-dSed entspricht und die Verbindung im Wesentlichen nur zwei der drei Elemente Fe, Ni und Co enthält und zusätzlich im Wesentlichen kein Metall M1 enthalten ist. 7. The method according to the preceding claim, wherein the transition metal chalcogenide corresponds to Fe 9-abc Ni a Co b M'c S 8-d Se d and the compound contains essentially only two of the three elements Fe, Ni and Co and additionally essentially no metal M 1 is included.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrokatalytische Flydrierung im Batchbetrieb oder im kontinuierlichem Durchfluss-Betrieb durchgeführt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrocatalytic flydration is carried out in batch mode or in continuous flow mode.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die angelegte Stromdichte größer 10 mA cm-2, insbesondere größer 100 mA cm-2 beträgt. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the applied current density is greater than 10 mA cm -2 , in particular greater than 100 mA cm -2 .
10. Elektrode zur elektrokatalytischen Flydrierung organischer Verbindungen in einer elektrochemischen Zelle, insbesondere mittels des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Trägermaterial und einer zumindest auf einem Teil der Oberfläche des Trägermaterials angeordneten Katalysatorschicht, wobei die Katalysatorschicht einen polymeren Binder und ein Übergangsmetallchalkogenid als Katalysator enthält oder aus diesen Komponenten besteht, wobei das Übergangsmetallchalkogenid ausgewählt ist aus Sulfiden, Seleniden und Telluriden. 10. Electrode for the electrocatalytic flydration of organic compounds in an electrochemical cell, in particular by means of the method according to any one of the preceding claims, with a support material and a catalyst layer arranged at least on part of the surface of the support material, the catalyst layer containing a polymeric binder and a transition metal chalcogenide as a catalyst or consisting of these components, the transition metal chalcogenide being selected from sulfides, selenides and tellurides.
11. Elektrode nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Katalysatorschicht porös vorliegt oder das Trägermaterial zumindest teilweise aus einem porösen Material gebildet ist und die Katalysatorschicht als Beschichtung zumindest teilweise auch auf der inneren Oberfläche des porösen Trägermaterials angeordnet ist. 11. Electrode according to the preceding claim, wherein the catalyst layer is porous or the carrier material is at least partially formed from a porous material and the catalyst layer is at least partially arranged as a coating on the inner surface of the porous carrier material.
12. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der polymere Binder ausgewählt ist aus Polyolefinen, fluorierten Polyolefinen, Copolymeren mit Polyolefinen und/oder fluorierten Polyolefinen und Polymerblends, enthaltend Polyolefine und/oder fluorierten Polyolefine, wobei die Polyolefine und fluorierten Polyolefine insbesondere ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus PE, PP, PVDF, FEP und PTFE. 12. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the polymeric binder is selected from polyolefins, fluorinated polyolefins, copolymers with polyolefins and/or fluorinated polyolefins and polymer blends containing polyolefins and/or fluorinated polyolefins, the polyolefins and fluorinated polyolefins being selected in particular from the group consisting of PE, PP, PVDF, FEP and PTFE.
13. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des Binders an der Katalysatorschicht 1 bis 90 Gew.-%, insbesondere 5 bis 80 Gew.-%, beispielsweise 10 bis 25 Gew.-% beträgt. 13. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the proportion of the binder in the catalyst layer is 1 to 90% by weight, in particular 5 to 80% by weight, for example 10 to 25% by weight.
14. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Katalysatorschicht das Übergangsmetallchalkogenid, gegebenenfalls einen Binder und mindestens ein Additiv enthält oder daraus besteht, wobei das mindestens eine Additiv ausgewählt ist aus Stoffen zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, Stoffen zur Erhöhung der lonen-Leitfähigkeit, Stoffen zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit, Stoffen zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit, Stoffen zur Erhöhung der Elydrophobie und Stoffen zur Verbesserung der Adsorption der zur hydrierenden organischen Verbindung. 14. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the catalyst layer contains or consists of the transition metal chalcogenide, optionally a binder and at least one additive, wherein the at least one additive is selected from substances for increasing the electrical conductivity, substances for increasing the ion conductivity, Substances to increase thermal conductivity, substances to increase corrosion resistance, substances to increase electrophobicity and substances to improve adsorption of the organic compound to be hydrogenated.
15. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Katalysatorschicht eine Katalysatorbeladung von 0,1 - 500 mg cm-2, insbesondere 1 - 250 mg cm-2, beispielsweise 2 - 10 mg cm-2 vorliegt. 15. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the catalyst layer has a catalyst loading of 0.1-500 mg cm -2 , in particular 1-250 mg cm -2 , for example 2-10 mg cm -2 .
16. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übergangsmetallchalkogenid im Wesentlichen der Summenformel MX, MX2, M2X3, M2X4I M3X4I M9X8, M"6MkXmX'n entspricht, wobei M für ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus den Übergangsmetallen der 4., 5. oder 6. Periode steht und 16. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the transition metal chalcogenide essentially corresponds to the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4I M 3 X 4I M 9 X 8 , M'' 6 M k X m X' n , where M is one or more metals selected from the transition metals of the 4th, 5th or 6th period and
M" ausgewählt ist aus Alkali- und Erdalkalimetallen, wobei X für S, Se und Te steht und M" is selected from alkali and alkaline earth metals, where X is S, Se and Te, and
X1 für ein Elalogenid sowie k, m und n für Dezimalzahlen stehen mit 24 ≤ k ≤ 25, 26 ≤ m ≤ 28 und 0 ≤ n ≤ 1 . X 1 is an elalogenide and k, m and n are decimal numbers with 24≦k≦25, 26≦m≦28 and 0≦n≦1.
17. Elektrode nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Übergangsmetallchalkogenid im Wesentlichen der Summenformel M2X4, M9X8, oder M"6MkXmX'n entspricht und M ausgewählt aus einem Übergangsmetall der 4. Periode der Gruppen 4 bis 10, und insbesondere für ein, zwei oder drei der Metalle Fe, Co und Ni steht oder zumindest eines oder mehrere dieser Metalle umfasst. 17. The electrode according to the preceding claim, wherein the transition metal chalcogenide essentially corresponds to the empirical formula M 2 X 4 , M 9 X 8 , or M" 6 M k X m X' n and M selected from a transition metal of the 4th period of groups 4 to 10, and in particular one, two or three of the metals Fe, Co and Ni or at least one or more of these metals.
18. Elektrode nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Übergangsmetallchalkogenid der Formel M9X8 entspricht und zumindest teilweise in der Pentlandit-Struktur kristallisiert vorliegt und insbesondere eine Verbindungen der Formel Fe9.a.b.cNiaCobM'cS8.dSed ist, worin 18. Electrode according to one of the two preceding claims, wherein the transition metal chalcogenide corresponds to the formula M 9 X 8 and is present at least partially crystallized in the pentlandite structure and in particular a compound of the formula Fe 9.abc Ni a Co b M' c S 8. d Se d is where
- M1 ein Übergangsmetall der 4., 5. oder 6. Periode ist und insbesondere ausgewählt ist aus einem oder mehreren Metallen der Gruppe bestehend aus Ag, Cu, Zn, Cr, Nb, - M 1 is a transition metal of the 4th, 5th or 6th period and is selected in particular from one or more metals from the group consisting of Ag, Cu, Zn, Cr, Nb,
- a eine Zahl von 0 bis 7 ist, insbesondere von 1 bis 6 - a is a number from 0 to 7, in particular from 1 to 6
- b eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 0 bis 8 - b is a number from 0 to 9, in particular from 0 to 8
- c eine Zahl von 0 bis 2 ist, insbesondere von 0 bis 1 - c is a number from 0 to 2, in particular from 0 to 1
- d eine Zahl von 0 bis 6 ist, insbesondere von 0 bis 4 - d is a number from 0 to 6, in particular from 0 to 4
- wobei die Summe a+b+c eine Zahl von 0 bis 9 ist, insbesondere von 3 bis 7. - where the sum a+b+c is a number from 0 to 9, in particular from 3 to 7.
19. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial ausgewählt ist aus Metallen, Kohlenstoff, keramischen Materialien, Polymeren und Kompositmaterialien. 19. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the carrier material is selected from metals, carbon, ceramic materials, polymers and composite materials.
20. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial flächig ausgebildet ist, der ausgewählt ist aus Gewebeschichten, Filzen, Gittern, Membranen und Folien. 20. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the carrier material is flat and is selected from fabric layers, felts, grids, membranes and foils.
21. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Katalysatorschicht eine äußere Oberfläche von mindestens 0,2 cm2, insbesondere mindestens 1cm2, bevorzugt 1cm2 bis 4m2 aufweist. 21. Electrode according to one of the preceding claims, wherein the catalyst layer has an outer surface area of at least 0.2 cm 2 , in particular at least 1 cm 2 , preferably 1 cm 2 to 4 m 2 .
22. Elektrochemischen Zelle zur elektrokatalytischen Elydrierung organischer Verbindungen, mit einem Reaktor, in dem eine Kathode, eine Anode und ein Elektrolyt enthalten sind, wobei im Reaktor eine reduzierbare organische Verbindung in flüssiger oder in zumindest teilweise in gelöster Form vorliegt und wobei die reduzierbare organische Verbindung an der Kathode hydriert wird, wobei die Kathode ein Übergangsmetallchalkogenid als Katalysator umfasst oder daraus besteht, wobei das Übergangsmetallchalkogenid ausgewählt ist aus Sulfiden, Seleniden und Telluriden, und insbesondere eine Elektrode nach einem der Ansprüche 9 bis 19 ist und wobei die elektrochemische Zelle nicht zur Erzeugung eines Gases ausgebildet ist. 22. Electrochemical cell for the electrocatalytic lydration of organic compounds, having a reactor containing a cathode, an anode and an electrolyte, wherein a reducible organic compound is present in liquid or at least partially dissolved form in the reactor and wherein the reducible organic compound is hydrogenated at the cathode, wherein the cathode comprises or consists of a transition metal chalcogenide as a catalyst, wherein the transition metal chalcogenide is selected from sulphides, selenides and tellurides, and in particular an electrode according to any one of claims 9 to 19 and wherein the electrochemical cell is not for generation of a gas is formed.
23. Verwendung eines Übergangsmetallchalkogenids als Katalysator für die elektrokatalytische Elydrierung organischer Verbindungen, insbesondere eines Übergangsmetallchalkogenids ausgewählt aus Verbindungen, die im Wesentlichen der Summenformel MX, MX2, M2X3, M2X4, M3X4, M9X8 oder M"6MkX|X'm entsprechen, beispielsweise eines Pentlandits, wobei M für ein oder mehrere Metalle ausgewählt aus den Übergangsmetallen der 4., 5. oder 6. Periode steht und M" ausgewählt ist aus Alkali- und Erdalkalimetallen, wobei X für S, Se und Te steht und X' für ein Halogenid sowie k, m und n für Dezimalzahlen stehen mit 24 ≤ k ≤ 25, 26 ≤ m ≤ 28 und 0 ≤ n ≤ 1 . 23. Use of a transition metal chalcogenide as a catalyst for the electrocatalytic lydration of organic compounds, in particular a transition metal chalcogenide selected from compounds which essentially have the molecular formula MX, MX 2 , M 2 X 3 , M 2 X 4 , M 3 X 4 , M 9 X 8 or M" 6 M k X | X' m , for example a pentlandite, where M is one or more metals selected from the transition metals of the 4th, 5th or 6th period and M" is selected from alkali and alkaline earth metals, where X stands for S, Se and Te and X' is a halide and k, m and n are decimal numbers with 24≦k≦25, 26≦m≦28 and 0≦n≦1.
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