JP2016505716A - ガス拡散電極及びその調製法 - Google Patents
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Abstract
Description
2Cl−→Cl2+2e(1.36V)
2H2O+2e→2OH−+H2(−0.83V)
2NaCl+2H2O→Cl2+2NaOH+H2(2.19V),
2Cl−→Cl2+2e(1.36V)
O2+2H2O+4e→4OH−(0.4V)
2NaCl+H2O+1/2O2→Cl2+2NaOH(0.96V)。
1)通常、30%以上のアルカリ濃度又は80−90℃の温度の下での、塩素アルカリ工業における電解の実用条件は相対的に厳しく、それ故、材料及び電極の調製には相対的に高い必要条件が要求されること;
2)酸素拡散カソードの電気化学反応の間、触媒の電気触媒的メカニズムにより影響を受け、ある程度の2電子副反応が生じて一定量のHO2 −を産生し、これが炭素材料に対し腐食性であり、それ故電極の構造、寿命、及び電気化学的特性に対し負の影響をもたらすこと;
3)酸素拡散カソードの電気化学反応は、実際には気−液−固体多相触媒反応のプロセスであり、そのバランスは、コントロールするのが難しく、そのため酸素拡散カソードの触媒効率に影響を及ぼすこと;
4)酸素拡散カソードは、その低い機械的強度及びその取付けが非常に難しいことから、大規模工業生産の必要条件を満たし得ないこと;及び
5)酸素拡散カソードについては、そのスラリーの分散および薄膜形成のプロセスが複雑であり、かつその乾燥が要求されることから、亀裂のない良好な表面条件をもつ電極を得ることが難しいこと。
この実施例で用いた高黒鉛化カーボンブラックは、カーボンブラック(Vulcan XC−72)を、2700℃の高温黒鉛化炉で6−10時間黒鉛化することにより調製され、その黒鉛化度を測定するためのラマンスペクトルは、図2においてID/IG 0.67で示される。銀メッキ発泡ニッケルは、電気メッキにより調製され、ここで発泡ニッケルは、Heze Tianyu Technical Developing Lt.Corpにより市販されている。酸性化された高黒鉛化カーボンブラックは、黒鉛化カーボンブラックを硝酸溶液(68質量%)中で、120℃で6−10時間還流することにより調製される。具体的には、
1)高黒鉛化カーボンブラック 0.4−2gを秤量し、それをTriton 0.4−1gを含んでなるイソプロパノール水溶液中で分散し、ここで、イソプロパノールの量は40mLであり、水の量は10−25mLである;次にそのようにして得たスラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、続いて1−2gのPTFEエマルジョン(D−110,60質量%)を添加する;剪断分散を10分間継続して行い、次いで分散完了後に、ガス拡散層スラリーをサイズ90mm×90mmの銀メッキ発泡ニッケル上に均一にコーティングし、それを60℃のオーブン内で30分間乾燥した後、0.1−2MPaの圧力を用いて、室温で60秒間にわたり一次コールドプレス成形を行なって、集電体1とガス拡散層2とからなるアセンブリを得るようにする;
2)Ag粉末触媒 1−2gと、酸性化された黒鉛化カーボンブラック 2−3gとを、Triton 2.5−3g/Lのイソプロパノール水溶液中で分散して、酸素含有官能基を、酸性化された黒鉛化カーボンブラックの表面上に0.5−2mmol/gの濃度で作製し、ここで、イソプロパノールの量は3mLであり、水の量は15−30mLである;スラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、次いで60質量%のPTFEエマルジョン 2.5−3gを添加する;10分間の超音波剪断によりさらに分散する;分散完了後、触媒層スラリーを、集電体1とガス拡散2とからなるアセンブリの、ガス拡散層上にコーティングする;スラリーの乾燥後、0.1−2MPaのコールド圧を用いて、室温で30秒の保持時間にわたり、二次コールドプレス成形処理を行なって、予備成形されたガス拡散電極を得るようにし、塩基性溶液中のAg粉末触媒の回転リングディスク試験の結果は、図3に示される。電気触媒メカニズムが、ほぼ4電子反応であることが見てとれる;
3)上記の工程によって得られた予備成形ガス拡散電極を、290℃にコントロールされた高温で、2時間焼成する;そして
4)焼成を受けた予備成形ガス拡散電極上に、ガイド層の銀メッキ発泡ニッケルを配設し、そしてそれに、5−8MPaの圧力を用いて、360℃のホットプレス温度において、60秒の保持時間にわたりホットプレス成形を行なって、ガス拡散電極を得るようにする。調製されたガス拡散電極の実際の電解の試験データは、図4に示され、これはガス拡散電極がアルカリ溶液中で、良好な腐食抵抗性と、優れたかつ安定した電気化学性能とを有すること、及びそれ故、塩素アルカリ工業における電気分解反応に適することを示している。
この実施例で用いた高黒鉛化カーボンブラックは、カーボンブラック(Vulcan XC−72)を、2600℃で2−15時間黒鉛化することにより調製され、ID/IG 0.7−1.0のラマンスペクトルを有する。銀メッキ発泡ニッケルは、電気メッキにより調製され、ここで発泡ニッケルは、Heze Tianyu Technical Developing Lt.Corpにより市販されている。酸性化された高黒鉛化カーボンブラックは、黒鉛化カーボンブラックを硝酸溶液(68質量%)中で、140℃で6から10時間還流することにより調製される。具体的には、
1)高黒鉛化カーボンブラック 1−3gを秤量し、それをTriton 0.4−3gを含んでなるイソプロパノール水溶液中で分散し、ここで、イソプロパノールの量は40mLであり、水の量は4−16mLである;次にそのようにして得たスラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、続いて0.4−1.5gのPTFEエマルジョン(D−110,60質量%)を添加する;剪断分散を10分間継続して行い、次いで分散完了後に、ガス拡散層スラリーをサイズ90mm×90mmの銀メッキ発泡ニッケル上に均一にコーティングする;それを60℃のオーブン内で30分間乾燥した後、0.1−2MPaのコールド圧を用いて、室温で60秒間にわたり一次コールドプレス成形を行なって、集電体1とガス拡散層2とからなるアセンブリを得るようにする;
2)0.3−1.5gのAg粉末触媒又はAg/炭素複合触媒と、酸性化された黒鉛化カーボンブラック 0.5−2gとを、Triton 0.3−1.8g/Lのイソプロパノール水溶液中で分散して、酸素含有官能基を、酸性化された黒鉛化カーボンブラックの表面上に1.5−4mmol/gの濃度で作製し、ここで、イソプロパノールの量は3mLであり、水の量は3−8mLである;スラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、そして次にPTFEエマルジョン(60質量%)0.3−1.5gを添加する;10分間の超音波剪断によりさらに分散する;分散完了後、触媒層スラリーを、集電体1とガス拡散2とからなるアセンブリの、ガス拡散層上にコーティングする;スラリーの乾燥後、0.1−2MPaのコールド圧を用いて、室温で30秒の保持時間にわたり、二次コールドプレス成形処理を行なって、予備成形されたガス拡散電極を得るようにする;
3)上記の工程によって得られた予備成形ガス拡散電極を、280℃にコントロールされた高温で、4時間焼成し;そして
4)焼成を受けた予備成形ガス拡散電極上に、ガイド層の銀メッキ発泡ニッケルを配設し、かつそれに、2−5MPaの圧力を用いて、370℃のホットプレス温度において、180秒の保持時間にわたりホットプレス成形を行なって、ガス拡散電極を得るようにする。
この実施例で用いた高黒鉛化カーボンブラックは、カーボンブラック(Vulcan XC−72)を、2900℃の高温黒鉛化炉で、2−15時間黒鉛化することにより調製され、ID/IG 0.3−0.6のラマンスペクトルを有する。銀メッキ発泡ニッケルは、電気メッキにより調製され、ここで発泡ニッケルは、Heze Tianyu Technical Developing Lt.Corpにより市販されている。酸性化された高黒鉛化カーボンブラックは、黒鉛化カーボンブラックを硝酸溶液(68質量%)中で、160℃で6から10時間還流することにより調製される。具体的には、
1)高黒鉛化カーボンブラック 2−4gを秤量し、それをTriton 2.5−4gを含んでなるイソプロパノール水溶液中で分散し、ここで、イソプロパノールの量は40mLであり、水の量は20−40mLである;次にそのようにして得たスラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、続いて1.8−4gのPTFEエマルジョン(D−110,60質量%)を添加する;剪断分散を10分間継続して行い、次いで分散完了後に、ガス拡散層スラリーをサイズ90mm×90mmの銀メッキ発泡ニッケル上に均一にコーティングする;それを60℃で30分間乾燥した後、コールドプレス機で、1.5−2MPaのコールド圧を用いて、室温で60秒間にわたり一次コールドプレス成形を行なって、集電体1とガス拡散層2とからなるアセンブリを得るようにする;
2)2−3gのAg粉末触媒又はAg/炭素複合触媒と、酸性化された黒鉛化カーボンブラック 0.3−1gとを、Triton 1.5−2.8g/Lのイソプロパノール水溶液中で分散して、酸素含有官能基を、酸性化された黒鉛化カーボンブラックの表面上に3.5−5mmol/gの濃度で作製し、ここで、イソプロパノールの量は3mLであり、水の量は5−15mLである;スラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、そして次にPTFEエマルジョン(60質量%)1.4−2.8gを添加する;10分間の超音波剪断によりさらに分散する;分散完了後、触媒層スラリーを、集電体1とガス拡散2とからなるアセンブリの、ガス拡散層上にコーティングする;スラリーの乾燥後、1.5−2MPaのコールド圧を用いて、室温で30秒の保持時間にわたり、二次コールドプレス成形処理を行なって、予備成形されたガス拡散電極を得るようにする;
3)上記の工程によって得られた予備成形ガス拡散電極を、270℃にコントロールされた高温で、6時間焼成し;そして
4)焼成を受けた予備成形ガス拡散電極上に、ガイド層の銀メッキ発泡ニッケルを配設し、かつそれに、8−12MPaの圧力を用いて、350℃のホットプレス温度において、30秒の保持時間にわたりホットプレス成形を行なって、ガス拡散電極を得るようにする。
ここで用いた高黒鉛化カーボンブラックは、カーボンブラック(Vulcan XC−72)を、2700℃の高温黒鉛化炉で6−10時間黒鉛化することにより調製され、その黒鉛化度を測定するためのラマンスペクトルは、図2においてID/IG 0.67で示される。銀メッキ発泡ニッケルは、電気メッキにより調製され、ここで発泡ニッケルは、Heze Tianyu Technical Developing Lt.Corpにより市販されている。酸性化された高黒鉛化カーボンブラックは、黒鉛化カーボンブラックを硝酸溶液(68質量%)中で、120℃で6−10時間還流することにより調製される。具体的には、
1)高黒鉛化カーボンブラック 0.4−2gを秤量し、それをTriton 0.4−1gを含んでなるイソプロパノール水溶液中で分散し、ここで、イソプロパノールの量は40mLであり、水の量は10−25mLである;次にそのようにして得たスラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、続いて1−2gのPTFEエマルジョン(D−110,60質量%)を添加する;剪断分散を10分間継続して行い、次いで分散完了後に、ガス拡散層スラリーをサイズ90mm×90mmの銀メッキ発泡ニッケル上に均一にコーティングし、それを60℃のオーブン内で30分間乾燥した後、0.1−2MPaのコールド圧を用いて、室温で60秒間にわたり一次コールドプレス成形を行なって、集電体1及びガス拡散層2とからなるアセンブリを得るようにする;
2)Ag粉末触媒 1−2gと、酸性化された黒鉛化カーボンブラック 2−3gとを、Triton 2.5−3g/Lのイソプロパノール水溶液中で分散して、酸素含有官能基を、酸性化された黒鉛化カーボンブラックの表面上に0.5−2mmol/gの濃度で作製し、ここで、イソプロパノールの量は3mLであり、水の量は15−30mLである;スラリーを、60分間の超音波剪断により分散し、次いで60質量%のPTFEエマルジョン 2.5−3gを添加する;10分間の超音波剪断によりさらに分散する;分散完了後、触媒層スラリーを、集電体1とガス拡散2とからなるアセンブリの、ガス拡散層上にコーティングする;スラリーの乾燥後、0.1−2MPaのコールド圧を用いて、室温で30秒の保持時間にわたり、二次コールドプレス成形処理を行なって、予備成形されたガス拡散電極を得るようにする。
3)上記の工程によって得られた予備成形ガス拡散電極を、290℃にコントロールされた高温で、2時間焼成する;そして
4)焼成後、予備成形ガス拡散電極を、ホットプレス機上に直接配設し、それに、5−8MPaのホット圧を用いて、360℃のホットプレス温度において、60秒の保持時間にわたりホットプレス成形を行なって、ガス拡散電極を得るようにする。調製されたガス拡散電極の実際の電解の試験データは、図4に示され、これは、その電界特性が、塩基性溶液中で時間の経過と共に劣化し、それ故この電極が塩素アルカリ工業における長期間の電解反応には適さないことを示している。
Claims (10)
- 集電体と、ガス拡散層と、前記ガス拡散層上にコートされたガス触媒層と、及び前記ガス触媒層上にコートされた液体ガイド層とを含んでなるガス拡散電極であって;これにおいて前記ガス拡散層は、高黒鉛化カーボンブラックとポリテトラフルオロエチレンとを含んでなり、前記ガス触媒層は、触媒、酸性化された高黒鉛化カーボンブラック、及びポリテトラフルオロエチレンを含んでなり;前記高黒鉛化カーボンブラックは、ラマンスペクトルにおいて、0.3と1.0の間のピーク強度比ID/IGを有するカーボンブラックであり、かつ好ましくは、前記酸性化された黒鉛化カーボンブラックの表面上の酸素含有官能基の濃度は0.5−2mmol/gであり;前記ガス拡散層及び前記ガス触媒層における黒鉛化の程度は、同じか又は異なっていてもよく;前記集電体及び前記液体ガイド層は、双方とも厚さ0.1−20μmの銀メッキ発泡金属であり、かつ前記銀メッキ発泡金属が同じか又は異なっていてもよい、該ガス拡散電極。
- 前記ガス拡散層における、前記高黒鉛化カーボンブラックのポリテトラフルオロエチレンに対する質量比が、(0.01−1):(0.01−0.1)である、請求項1に記載のガス拡散電極。
- 前記ガス触媒層における、前記触媒、前記酸性化された高黒鉛化カーボンブラック、及びポリテトラフルオロエチレンの質量比が、(0.1−1):(0.1−1):(0.1−1)である、請求項1に記載のガス拡散電極。
- 前記銀メッキ発泡金属の金属が、ニッケル、チタン、タングステン、コバルト、又はそれらの合金から選択される、請求項1から3のいずれか1項に記載のガス拡散電極。
- 前記ガス触媒層中の前記触媒が、銀粉末又はAg/C複合触媒から選択され;好ましくは、前記触媒が0.01と5μmの間の粒子径を有する、請求項1に記載のガス拡散電極。
- 前記拡散電極が、塩素アルカリ工業において適用されるガス拡散電極である、請求項1から5のいずれか1項に記載のガス拡散電極。
- 前記ガス拡散層が、高黒鉛化カーボンブラック、水、Triton、ポリテトラフルオロエチレンエマルジョン、及びイソプロパノールを(0.01−1):(0.1−1):(0.01−0.1):(0.01−0.1):1の質量比で含んでなる原料から調製され、ここで、Tritonの前記水性イソプロパノール溶液が分散媒として使用される、請求項6に記載のガス拡散電極を調製する方法。
- 前記ガス触媒層が、触媒、酸性化された高黒鉛化カーボンブラック、水、Triton、ポリテトラフルオロエチレン溶液、及びイソプロパノールを(0.1−1):(0.1−1):(1−10):(0.1−1):(0.1−1):1の質量比で含んでなる原料から調製され、ここで、Tritonの前記水性イソプロパノール溶液が分散媒として使用される、請求項6に記載のガス拡散電極を調製する方法。
- 前記ガス拡散層の調製法が、以下の工程:
(1)前記高黒鉛化カーボンブラックを、界面活性剤Tritonを含んでなる前記水性イソプロパノール溶液中で分散して、前記ガス拡散層のスラリーを得るようにすること;このスラリーを10から200分間の超音波剪断により分散すること;次いで40から80質量%のポリテトラフルオロエチレンエマルジョンを添加して、10から150分間の超音波剪断によりさらに分散すること;前記ガス拡散層スラリーの分散の間の温度を10と100℃の間に、また分散後に前記ガス拡散層スラリー中の粉末が0.2と10μmの間の平均粒子径をもつようにコントロールすること;前記ガス拡散層スラリーを分散後5から100時間にわたり静置すること;及び前記ガス拡散層スラリーの固体含有量を5と40重量%の間にコントロールすること;及び
(2)前記集電体の銀メッキ発泡金属上に前記ガス拡散層スラリーを均一にコーティングすること;前記ガス拡散層スラリーのコーティング後に、それを40から120℃で5−10時間乾燥すること;前記ガス拡散層スラリーのコーティング及び乾燥の後、0.1と2MPaの間の圧力を用いて、−10℃と50℃の間の温度において、10と300秒の間の保持時間にわたり一次コールドプレス成形を行なって、前記集電体と前記ガス拡散層とからなるアセンブリを得るようにすること、を含んでなる、請求項7に記載のガス拡散電極を調製するための方法。 - 前記ガス触媒層の調製法が、以下の工程:
(1)前記触媒、前記酸性化された黒鉛化カーボンブラックを、界面活性剤Tritonを含んでなる前記水性イソプロパノール溶液中で分散して、前記触媒層スラリーを得るようにすること;このスラリーを10から200分間の超音波剪断により分散すること;次いで40から80質量%のポリテトラフルオロエチレンエマルジョンを添加して、10から150分間の超音波剪断によりさらに分散すること;及び前記触媒層スラリーの分散の間の温度を10と100℃の間に、また分散後に前記触媒層スラリー中の粉末が0.2と10μmの間の平均粒子径をもつようにコントロールすること;及び
(2)前記ガス拡散層と前記集電体とからなる前記アセンブリの前記ガス拡散層上に、前記触媒層スラリーを均一にコーティングすること;前記触媒層スラリーのコーティング後に、それを40から120℃で0.5−1時間乾燥すること;前記触媒層スラリーのコーティング及び乾燥の後、0.1と2MPaの間の圧力下で、−10℃と50℃の間の温度において、10と300秒の間の保持時間にわたり前記アセンブリに対して二次コールドプレス成形を行なって、予備成形されたガス拡散電極を得るようにすること;前記予備成形されたガス拡散電極を270と290℃の間の高温で、1から20時間焼成すること;焼成後、前記予備成形されたガス拡散電極上に、前記液体ガイド層の前記銀メッキ発泡金属を配設すること、及びそれに、2と12MPaの間のホット圧下で、330℃と450℃の間のホットプレス温度において、10と300秒の間の保持時間にわたりホットプレス成形を行なって、それにより前記ガス拡散電極を得るようにすること、を含んでなる、請求項8に記載のガス拡散電極を調製するための方法。
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