JP5438092B2 - 塩化水素電気分解のための電解セル - Google Patents
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Description
a.溶媒(L)における少なくとも1つの金属(M)の金属塩(MS)溶液から少なくとも1つの金属(M)を析出させて、金属(M)含有固体懸濁物(S)を得る工程、
b.懸濁物(S)から固体(F)を分離し、適切である場合には、固体(F)を後処理して、金属触媒(K)を得る工程、
c.金属触媒(K)を流動床に導入する工程、
d.昇温にて、特に少なくとも300℃にて金属触媒(K)の流動床において、水素ガスまたは水素含有化合物の存在下で、出発物質(E1)としての少なくとも1つの窒素含有炭素化合物、または少なくとも2つの出発物質(E2、E2’、少なくとも1つの出発物質が炭素化合物を含有し、少なくとも1つの出発物質が窒素化合物を含有する)を反応させて、窒素ドープカーボンナノチューブ(NCNT)を生成する工程、
e.流動床から窒素ドープカーボンナノチューブ(NCNT)を排出する工程。
図1は、本発明の電気化学セルを示す。それは、電流および電位供給(S)を介して導電的に互いに接続されるカソード(1)およびアノード(2)を有する。電極チャンバー(AおよびB)は、膜(M)(Nafion(登録商標))によって離隔されている。常にO2で飽和された2重量%のHClを含有する塩酸水溶液がカソードチャンバーAに存在し、一方、20重量%のHClを含有する塩化水素水溶液がアノードチャンバー(B)に存在する。
図2において、本発明の好ましい更なる発展型に従って、膜(M)(Nafion(登録商標))を、カソードの層(1b)に直接適用する。層(1b)は、バインダーとしてのNafion(登録商標)、およびある割合の窒素ドープカーボンナノチューブを含有する。窒素ドープカーボンナノチューブは、4.28重量%の窒素含有量を有する。カソードチャンバー(A)は周囲に開放されており、従って、周囲空気で満たされている。この実施例における、図2のような装置の更なる特性の全ては、図1によって上で説明した実施例1の特性に一致する。
図3は、実施例2に記載の構造を有し、更なる層(1c)(ガス拡散層)を補ったカソードを示す。各々9.8g/m2および14.7g/m2の異なるNCNT充填量を有する2つのカソードを使用した。更なる層は、黒鉛炭素からなる織布(Ballard製)を含有し、その両側に、アセチレンブラック(Shawinigan Black;CPChem製)およびPTFE含有インクを、グラビアローラーコーティング法によって複数回塗布した。インクの各塗布の後にコーティングを乾燥させ、最後に、層(1c)全体を340℃で焼結させた。アノード(2)は、チタン−パラジウム合金(TiPd0.2)を、ルテニウム−チタン混合金属酸化物で被覆されたエキスパンドメタルの形態で含有する。更に、カソードチャンバー(A)は、カソードのバックチャンバーにガスを導入し得るように、かつガスを、液体の形態で得られる反応生成物と一緒にセルの底部で排出し得るように構成される。
図4は、本発明のセル中の塩化水素からの塩素製造における電流密度の関数として、セル電位を示す(図3、実施例3を参照のこと)。
本願発明は以下の態様を含む。
(態様1)
塩化水素ガスまたは塩化水素含有溶液の電気分解、特に、10〜25重量%の範囲のHCl濃度を有する塩酸の電気分解のための装置であって、カソード(1)を有する電極チャンバー(A)およびアノード(2)を有する別の電極チャンバー(B)を有し、電極チャンバー(A)と電極チャンバー(B)とがイオン伝導性膜(M)によって離隔されており、電極(1および2)が導電的に電源(S)に接続されている装置であって、カソード(1)は、少なくともある割合の窒素ドープカーボンナノチューブを含有する層(1b)、および適切である場合には、コア(1a)と層(1b)との間の更なる層(1c)が適用された電気伝導性コア(1a)を有し、窒素ドープカーボンナノチューブが窒素含有官能基を有することを特徴とする、装置。
(態様2)
電極チャンバー(A)が、酸素ガス含有電解質水溶液、または空気もしくは酸素含有ガスの供給ライン(3)を備えることを特徴とする、態様1に記載の装置。
(態様3)
電極チャンバー(B)が、塩酸または塩化水素含有ガスの供給ライン(4)を備えることを特徴とする、態様1または2に記載の装置。
(態様4)
窒素含有基でドープされたカーボンナノチューブが、以下の工程:
a.溶媒(L)における少なくとも1つの金属(M)の金属塩(MS)溶液から少なくとも1つの金属(M)を析出させて、金属(M)含有固体懸濁物(S)を得る工程、
b.懸濁物(S)から固体(F)を分離し、適切である場合には、固体(F)を後処理して、金属触媒(K)を得る工程、
c.金属触媒(K)を流動床に導入する工程、
d.昇温にて、特に少なくとも300℃にて金属触媒(K)の流動床において、水素ガスまたは水素含有化合物の存在下で、出発物質(E1)としての少なくとも1つの窒素含有炭素化合物、または少なくとも2つの出発物質(E2、E2’、少なくとも1つの出発物質が炭素化合物を含有し、少なくとも1つの出発物質が窒素化合物を含有する)を反応させて、窒素ドープカーボンナノチューブ(NCNT)を生成する工程、
e.流動床から窒素ドープカーボンナノチューブ(NCNT)を排出する工程
によって製造されることを特徴とする、態様1〜3のいずれか1つに記載の装置。
(態様5)
触媒がマンガン、コバルト、Al 2 O 3 およびMgOをベースとしており、Mnは2〜65質量%の割合で存在し、Coは2〜80質量%の割合で存在し、Al 2 O 3 は5〜75質量%の割合で存在し、MgOは5〜70質量%の割合で存在することを特徴とする、態様4に記載の装置。
(態様6)
カソード(1)のコア(1a)が導電性ガーゼ、メッシュ、不織布または織布の形態で存在することを特徴とする、態様1〜5のいずれか1つに記載の装置。
(態様7)
カソード(1)が銅、グラファイト、チタン、貴金属含有チタン合金、特にTiPd、ならびにNi合金のハステロイ(Hastelloy、登録商標)およびインコロイ(Incolloy、登録商標)からなるリストから選択される1つまたはそれより多くの材料でできた電流ディストリビュータに電気的に接続されることを特徴とする、態様1〜6のいずれか1つに記載の装置。
(態様8)
層(1b)がバインダー、特にフッ素含有ポリマー、好ましくはPTFEをベースとするバインダーを含有することを特徴とする、態様1〜7のいずれか1つに記載の装置。
(態様9)
層(1b)が少なくとも10重量%、好ましくは少なくとも20重量%、特に好ましくは少なくとも40重量%、極めて特に好ましくは少なくとも60重量%の割合の窒素ドープカーボンナノチューブを含有することを特徴とする、態様1〜8のいずれか1つに記載の装置。
(態様10)
窒素ドープカーボンナノチューブが少なくとも1重量%、好ましくは少なくとも3重量%、特に好ましくは少なくとも5重量%の割合の窒素を含有することを特徴とする、態様1〜9のいずれか1つに記載の装置。
(態様11)
層(1b)の厚さが200μm以下、好ましくは1μm〜150μm、特に好ましくは10μm〜100μmであることを特徴とする、態様1〜10のいずれか1つに記載の装置。
(態様12)
イオン伝導性膜(M)がポリマー膜であることを特徴とする、態様1〜11のいずれか1つに記載の装置。
(態様13)
ポリマー膜が、パーフルオロスルホン酸ポリマーをベースとすることを特徴とする、態様12に記載の装置。
(態様14)
イオン伝導性膜(M)と電極(1)の層(1b)とが直接接触していることを特徴とする、態様1〜13のいずれか1つに記載の装置。
(態様15)
コア(1a)と層(1b)との間に更なる層(1c)が存在することを特徴とする、態様1〜14のいずれか1つに記載の装置。
(態様16)
更なる層(1c)が少なくとも1つの導電性材料、特にグラファイトと、疎水性材料、特にPTFEとを含有することを特徴とする、態様15に記載の装置。
(態様17)
態様1〜16のいずれか1つに記載の装置を用いて実施する、塩化水素の電気分解方法。
Claims (7)
- 塩化水素ガスまたは塩化水素含有溶液の電気分解のための装置であって、カソード(1)を有する電極チャンバー(A)およびアノード(2)を有する別の電極チャンバー(B)を有し、電極チャンバー(A)と電極チャンバー(B)とがイオン伝導性膜(M)によって離隔されており、電極(1および2)が導電的に電源(S)に接続されている装置であって、カソード(1)は、少なくともある割合の窒素ドープカーボンナノチューブを含有する層(1b)が適用された電気伝導性コア(1a)を有し、窒素ドープカーボンナノチューブが窒素含有官能基を有することを特徴とする、装置。
- カソード(1)が銅、グラファイト、チタン、貴金属含有チタン合金、ならびにNi合金のハステロイ(Hastelloy、登録商標)およびインコロイ(Incolloy、登録商標)からなるリストから選択される1つまたはそれより多くの材料でできた電流ディストリビュータに電気的に接続されることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 層(1b)が少なくとも10重量%の割合の窒素ドープカーボンナノチューブを含有することを特徴とする、請求項1または2に記載の装置。
- 窒素ドープカーボンナノチューブが少なくとも1重量%の割合の窒素を含有することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
- 層(1b)の厚さが200μm以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置。
- イオン伝導性膜(M)と電極(1)の層(1b)とが直接接触していることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置を用いて実施する、塩化水素の電気分解方法。
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