KR20210022686A - 염소의 전해 발생을 위한 애노드 - Google Patents

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알리체 가지울로
알리체 칼데라라
루치아노 이아코페티
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인두스트리에 데 노라 에스.피.에이.
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Abstract

본 발명은 염소 생성을 위한 전해조에서 애노드로서 유용한 전극을 수득하는 공정에 관한 것이다. 수득된 전극은 밸브 금속의 기판에 도포되어 있는, 주석, 루테늄, 이리듐 및 티타늄의 산화물을 함유하는 촉매 층을 포함한다.

Description

염소의 전해 발생을 위한 애노드
본 발명은 염소 생성을 위한 전해조(electrolytic cell)에서 애노드로서 유용한 전극을 수득하는 방법에 관한 것이다. 수득된 전극은 밸브 금속(valve metal)의 기판에 도포되어 있는, 주석, 루테늄, 이리듐 및 티타늄의 산화물을 함유하는 촉매 층을 포함한다.
본 발명의 분야는 알칼리 염화물 염수의 전기분해 공정에서 사용되는 전극의 촉매 코팅의 제조에 관한 것으로, 상기 코팅은 전기 전도성 기판, 통상 티타늄, 티타늄 합금 또는 기타 밸브 금속에 도포된다.
염소 및 가성 소다의 제조를 위한 알칼리 염화물 염수, 예를 들면 염화나트륨 염수의 전기분해 공정은, 애노드 염소 발생(evolution) 반응의 과전압을 저하시키는 특성을 갖는, 이산화루테늄(RuO2)의 표면층에 의해 활성화된 티타늄 또는 기타 밸브 금속을 기반으로 한 애노드에 의해 종종 수행된다.
염소 과전압 및 이에 따른 공정 전압 및 전체 에너지 소비 측면에서의 부분적인 개선은, 예를 들면 EP 0153586에 개시된 바와 같이, 이리듐과 백금으로부터 선택된 특정량의 제2 귀금속을 SnO2와 혼합된 RuO2를 기반으로 한 제형에 첨가함으로써 수득될 수 있지만; 상기 제형 및 다른 주석-함유 제형, 예를 들면 US 4513102에 개시된 제형은, 과량의 산소와의 애노드 반응에 의해 생성된 염소, 및 산소의 발생의 경쟁 반응의 과전압을 또한 동시에 저하시키는 문제가 있다.
추가의 부분적인 성능 개선은, 예를 들면 WO 2016083319에 개시된 바와 같이, 소량의 IrO2가 첨가된 RuO2과 SnO2를 기반으로 한 제형을 금속 기판 상에 도포함으로써 수득될 수 있다. 유사한 제형에 의해, 최적의 전해조(cell) 전위 값 및 적정량의 산소를 수득할 수 있다. 그러나, 최후 언급된 제형 및 전술된 다른 제형은, 산업용 플랜트의 오작동시 불가피하게 발생하는 전류 반전(current reversal)에 대한 최적의 저항(resistance)을 전극에 부여하지 않는다.
US 2013/186750 A1에는 두 가지 개별 조성을 갖는 교차 층, 즉, 이리듐, 루테늄 및 밸브 금속, 예컨대 탄탈륨의 산화물을 포함하는 층과 이리듐, 루테늄 및 주석의 산화물을 포함하는 층으로 코팅된 금속 기판으로 이루어진 염소 발생용 전극이 개시되어 있다.
문헌(Chellamall et al. "Anodic incineration of phthalic anhydride using RuO 2 -IrO 2 -SnO 2 -TiO 2 coated on Ti anode", Arabian Journal of Chemistry (2012), Vol. 9, Supplement 2, November 2016, Pages S1690-S1699)에는, 열분해법에 의해 제조된 RuO2, IrO2, SnO2 및 TiO2의 혼합 금속 산화물로 코팅된 티타늄 기판으로 이루어진, 프탈산 무수물의 전기화학적 산화를 위한 애노드가 개시되어 있다.
또한, 예를 들면, JPS 6338592에 개시된, 주석 및 귀금속의 산화물을 기반으로 한 제형과 같은 선행 기술의 코팅은, 일반적으로, 수용액 중의 귀금속의 상응하는 전구체와 혼합된 4가 주석 전구체, 특히 사염화주석(SnCI4)으로부터 시작하여 제조된다. 그러나, 이에 따라 수득된 전구체는 극심한 휘발성으로 인해 산업 공정에 적용하기에는 적합하지 않다.
따라서, 선행 기술의 제형에 비해, 일반적인 작동 조건에서 전류 반전에 대한 더 높은 저항 및 더 높은 촉매 활성을 특징으로 하는, 알칼리 염화물 염수의 전기분해 공정에서 전해조 내에서 가스 생성물을 발생시키기 위한 전극을 위한 것인 신규한 촉매 코팅이 필요하다는 것이 분명하다.
본 발명의 각종 측면들은 첨부된 청구범위에 제시되어 있다.
본 발명은, RuO2, IrO2, SnO2 및 TiO2를 기반으로 한 제형을 금속 기판 상에 도포하는 것으로 이루어지며; 이에 따라 수득된 제형은 전류 반전 상황에서 전극 저항의 현저한 향상을 초래하고, 또한 가장 유리하게는 Cl2/O2 생성 반응의 선택성 증가를 가능하게 한다.
일측면에서, 본 발명은, 밸브 금속 기판; 및 원소들에 대한 몰 백분율로 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는 촉매 코팅을 포함하는, 전해 공정에서의 가스 발생을 위한 전극에 관한 것으로, 상기 촉매 코팅은 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액(acetic solution)의 열분해에 의해 수득된다.
본 발명자는, 루테늄 산화물과 이리듐 산화물을 함유하는 촉매 층에 주석 및 티타늄이 금속 또는 이의 산화물 형태로 존재하면(이들은, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 전술된 농도로 함유하는 아세트산 용액으로부터 시작하여 도포되어 있다), Ti만 존재할 때 수득될 수 있는 것과 유사한 전류 반전 상황에서 최종 전극의 저항이 현저히 증가함을 관찰하였다.
또한, 하이드록사아세토클로라이드 착물 함유 전구체로부터 수득된 본 발명의 제형은 최적의 전해조 전위 값을 제공하는 것으로 관찰되었다.
일양태에서, 본 발명은 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는 혼합물을 포함하는 촉매 코팅을 갖는 전극에 관한 것이다.
본 발명자는, 상당량의 밸브 금속을 함유하는 유사한 촉매 코팅을 갖는 전극이 적당한 농도의 산소를 수득할 수 있게 하여, 가장 유리하게는 Cl2/O2 생성 반응의 선택성을 향상시킨다는 것을 관찰하였다.
추가의 양태에서, 본 발명은 촉매 코팅이 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는 혼합물을 포함하는 전극에 관한 것이다.
이러한 최종 언급된 양태는 염소 및 산소의 발생 반응에 대해 최적의 선택성을 유지하면서 전극의 사용 수명을 증가시킨다는 이점을 갖는다.
추가의 측면에서, 본 발명은 주석, 이리듐, 루테늄 및 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는 혼합물을 포함하는 촉매 코팅과 함께 제공된 밸브 금속 기판을 포함하는 전해 공정의 가스 발생용 전극에 관한 것으로, 여기서, Ru:Ir 몰 비는 1.5 내지 8이고 Ti:Sn 몰 비는 1 내지 6이고 귀금속의 양에 대한 밸브 금속의 양의 몰 비는 1.2 내지 5이고, 상기 촉매 코팅은 전술된 금속의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액의 열분해된 층으로 이루어진다.
본 발명자는 밸브 금속의 양에 대한 귀금속의 양의 상기 범위의 비를 갖는 유사한 촉매 코팅을 갖는 전극이, 염소의 발생에 대한 우수한 촉매 활성 및 가장 유리하게는 Cl2/O2의 생성 반응의 우수한 선택성을 유지하면서도, 전류 반전에 대한 저항 측면에서 높은 성능을 수득할 수 있다는 것을 관찰하였다.
추가의 양태에서, 촉매 코팅은 이리듐과 루테늄의 합으로 표현되는 귀금속 비부하량(specific loading)을 6 내지 12g/㎡로 가지며 바람직한 밸브 금속 기판은 티타늄 또는 티타늄 합금이다.
추가의 측면에서, 본 발명은 밸브 금속 기판과 촉매 코팅을 포함하는 전극에 관한 것으로, 상기 촉매 코팅은 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액의 열분해에 의해 수득되며, 상기 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 함유한다.
추가의 측면에서, 본 발명은 전해조에서의 가스 생성물의 발생, 예를 들면 알칼리 염수의 전기분해를 위한, 전해조에서의 염소의 발생을 위한 전극의 제조 방법에 관한 것으로,
a) 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액을 밸브 금속 기판 상에 도포한 후, 이리듐과 루테늄의 합으로서 표현되는 귀금속 비부하량이 0.4 내지 1g/㎡로 달성될 때까지, 50 내지 60℃에서 건조시키고 450 내지 600℃에서 5 내지 30분의 시간 동안 열분해시키는 단계;
b) 6 내지 12g/㎡의 귀금속 비부하량을 갖는 촉매 코팅이 수득될 때까지 단계 a)를 반복하는 단계;
c) 450 내지 600℃에서 50 내지 200분의 시간 동안 열처리하는 단계
를 포함한다.
전술된 공정의 일양태에 따라, 상기 아세트산 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄, 바람직하게는 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄, 보다 바람직하게는 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 함유한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 전해 공정에서의 가스 발생을 위한 전극의 제조 방법에 관한 것으로,
a) 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 함유하는, 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액을 밸브 금속 기판 상에 도포한 후, 이리듐과 루테늄의 합으로서 표현되는 귀금속 비부하량이 0.4 내지 1g/㎡로 달성될 때까지, 50 내지 60℃에서 건조시키고 5 내지 30분의 시간 동안 450 내지 600℃에서 열분해시키는 단계;
b) 6 내지 12g/㎡의 귀금속 비부하량을 갖는 촉매 코팅이 수득될 때까지 단계 a)를 반복하는 단계;
c) 450 내지 600℃에서 50 내지 200분의 시간 동안 최종 열처리하는 단계
를 포함한다.
상기 산성 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄 및 바람직하게는 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 함유한다.
주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 이리듐, 루테늄 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 포함하는 전구체를 사용하면, 잘 제어된 화학적 조성을 갖는 애노드 촉매 코팅을 공급함으로써 선행 기술의 한계를 극복할 수 있게 된다. 선행 기술의 주요 임계점(criticality)은 사염화주석의 높은 휘발성으로 인한 것으로, 촉매 층을 증착하는 데 필요한 다양한 열처리 과정에서 후자의 제어되지 않은 손실을 초래한다.
일양태에서 단계 a) 및 c)의 열분해 온도는 480 내지 550℃이다.
추가의 측면에서, 본 발명은 애노드 구획과 캐소드 구획을 포함하며, 애노드 구획에, 염소의 발생을 위한 애노드로 사용되는 전술된 형태 중 하나의 형태인 전극이 장착되어 있는, 알칼리 염화물 용액의 전기분해를 위한 전해조에 관한 것이다.
추가의 측면에서, 본 발명은, 이온교환막(ion-exchange membrane) 또는 격막(diaphragm)에 의해 분리된 애노드 구획 및 캐소드 구획을 구비한 모듈식 배열(modular arrangement)의 전해조를 포함하며, 애노드 구획은 애노드로 사용되는 전술된 형태 중 하나의 형태인 전극을 포함하는, 보호용 분극 장치(protective polarization device)가 부재한 경우에도 알칼리 염화물 용액으로부터 시작하여 염소 및 알칼리를 생성하기 위한 산업용 전해기(electrolyser)에 관한 것이다.
이제 본 발명은 하기 실시예 및 첨부된 도면과 관련하여 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 실시예 #1에 기재된 전극 단면의 주사 전자 현미경 이미지이다.
도 2는 대조예 #2C에 기재된 전극 단면의 주사 전자 현미경 이미지이다.
실시예
하기 실시예는 본 발명의 특정 양태를 입증하는 것을 포함하며, 이의 실행가능성은 값들의 청구범위 내에서 대체로 입증되었다. 당업자는 본 발명자가 발견한 대표적인 조성물 및 기술을 따르는 실시예에 기재된 조성물 및 기술은 본 발명을 실시할 때 잘 기능한다는 것을 인지할 것이지만, 당업자는, 본 기재사항을 고려하여, 다수의 변형태가 전술된 다양한 양태에서 수행될 수 있으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않고도 동일하거나 유사한 결과를 여전히 수득함을 또한 인지할 것이다.
실시예 1
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 20% Ru, 7% Ir, 17% Sn 및 56% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱(brushing)하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트(coat)로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 8g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #1로 표시하였다.
실시예 2
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 30% Ru, 4% Ir, 15% Sn 및 51% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 8g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #2로 표시하였다.
실시예 3
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 23% Ru, 12% Ir, 19% Sn 및 46% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 8g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #3으로 표시하였다.
실시예 4
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 20% Ru, 10% Ir, 16% Sn 및 54% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 12g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #4로 표시하였다.
실시예 5
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 21% Ru, 7% Ir, 32% Sn 및 40% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 9g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #5로 표시하였다.
실시예 6
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 21% Ru, 9% Ir, 29% Sn 및 41% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 9g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #6으로 표시하였다.
대조예 1
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, RuCl3 *3H2O, H2IrCl6 *6H2O, TiCl3을 이소프로판올 용액 중에 함유하고 27% Ru, 12% Ir, 61% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 수성-알코올성 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 내지 13g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #1C로 표시하였다.
대조예 2
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, RuCl3 *3H2O, H2IrCl6 *6H2O, TiCl3, SnCl4를 이소프로판올 용액 중에 함유하고 20% Ru, 7% Ir, 17% Sn 및 56% Ti의 몰 조성을 갖는 100ml의 수성-알코올성 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 8g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #2C로 표시하였다.
대조예 3
10cm×10cm 크기의 티타늄 메쉬 조각을 60℃ 탈이온수에서 3회 세정하며, 매번 상기 액체를 교체하였다. 상기 세정에 이어 350℃에서 2시간 동안 열처리하였다. 이어서, 30분 동안 비등시키면서, 메쉬를 20% HCl 용액에서 처리하였다.
이어서, 주석의 하이드록사아세토클로라이드 착물을, 루테늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물 및 이리듐의 하이드록사아세토클로라이드 착물과 함께 함유하고 35% Ru, 6% Ir, 59% Sn의 몰 조성을 갖는 100ml의 아세트산 용액을 제조하였다.
상기 용액을 브러싱하여 티타늄 메쉬 조각 상에 14회 코트로 도포하였다. 각각의 코트 후, 50 내지 60℃에서 약 10분 동안 건조시킨 후, 500℃에서 10분 동안 열처리하였다. 상기 조각은, 후속 코트를 도포하기 전에 매회 공기 중에서 냉각시켰다.
상기 금속에 대한 Ir과 Ru의 합으로 표현한 귀금속 총 부하량이 8g/㎡에 도달할 때까지 상기 절차를 반복하였다. 이어서, 500℃에서 100분 동안 최종 열처리하였다.
이에 따라 수득된 전극을 샘플 #3C로 표시하였다.
샘플 특성
사염화주석의 높은 휘발성 및 열처리 과정에서의 이의 관련된 제어되지 않은 손실의 증거를, 실시예 1의 전극 샘플(샘플 1)과 대조예 2의 전극 샘플(샘플 2C)의 2개 샘플 각각의 SEM EDX 분석에 의해 확인하였다.
분석은 후방산란 모드에서 사용되는 Everhart-Thornley 검출 시스템이 장착된 주사 전극 현미경(EDAX 마이크로분석 시스템이 있는 FEI에 의한, 상용 SEM/FEG Inspect F 50)으로 수행하였으며, 작업 거리 10mm 및 가속 전압 20kV로 설정하였고 배율은 10000X 내지 100000X 범위였다.
도 1 및 도 2는 각각 실시예 1 및 대조예 2의 제조된 전극의 촉매 코팅의 단면 이미지, 및 ZAF 보정 방법을 사용하여 판정된 상응하는 조성 프로파일("ZAF"는 시편의 매트릭스 효과의 보정을 지칭하며, 구체적으로, Z는 원자 번호 효과, A는 X-선 흡수 효과, F는 X-선 형광 효과를 의미한다)을 보여준다.
실시예 1의 전극(샘플 1)과 관련하여 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 주석은 촉매 코팅의 단면에 걸쳐 존재한다. 또한, EDX 분석에 의해 검출된 금속 조성은, 샘플 1의 20% Ru, 7% Ir, 17% Sn 및 56% Ti에 해당하는 주석, 루테늄, 이리듐, 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는, 초기 아세트산 용액의 몰 조성과 유사하다.
대조예 2의 전극(샘플 2C)과 관련하여 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 촉매 코팅의 전체 단면에 주석만이 매우 적게 존재한다. EDX 분석에 의해 검출된 금속 조성은, 샘플 2C의 20% Ru, 7% Ir, 17% Sn 및 56% Ti에 해당하는 주석, 루테늄, 이리듐, 및 티타늄을 함유하는 초기 수성 알코올성 용액의 몰 조성과 유사하게 대부분의 주석이 손실됨을 입증한다.
염소 발생 시험
실시예로부터의 샘플은 염화나트륨 염수가 200g/l 농도로 공급되며 pH 값이 3에 가깝게 제어된 실험실용 전해조에서 염소를 발생시키기 위한 애노드인 것을 특징으로 한다.
표 1은 3kA/㎡의 전류 밀도에서 측정된 염소 과전압, 생성된 염소 체적당 산소의 백분율 및 귀금속 손실의 백분율로 표시되는 반전에 대한 저항을 나타낸다.
Figure pct00001
상기 기재사항은 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않아야 하며, 이는 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않으면서 상이한 양태들에 따라 사용될 수 있어야 하고, 이의 범주는 청구범위에 의해 명료하게 규정된다.
본 발명의 명세서 및 청구범위에 걸쳐, 용어 "포함하는" 및 "포함하다"와 같은 "포함하다" 및 이의 변형태는 기타 요소, 성분 또는 추가 공정 단계의 존재를 배제시키지 않는다.
문헌, 실행, 물질, 장치 등의 논의는, 본 발명의 내용을 제공하는 목적을 위해서만 본 명세서에 포함되어 있다. 선행 기술의 일부를 형성하는 이들 사안 중의 임의의 것 또는 전부는, 본 출원의 각 청구항의 우선일 이전의 본 발명에 관련된 당해 분야의 통상의 지식이라는 것이 제안되거나 제시되지 않는다.

Claims (13)

  1. 밸브 금속 기판; 및 원소들에 대한 몰 백분율로 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는 촉매 코팅을 포함하는, 전해 공정에서의 가스 발생을 위한 전극으로서, 상기 촉매 코팅은 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액의 열분해에 의해 수득되는, 전극.
  2. 제1항에 있어서, 상기 촉매 코팅은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는, 전극.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매 코팅은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 금속 또는 이의 산화물 형태로 함유하는, 전극.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 코팅은 이리듐과 루테늄의 합으로 표현되는 귀금속 비부하량을 6 내지 12g/㎡로 갖는, 전극.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 코팅은 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액의 열분해에 의해 수득되며, 상기 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 함유하는, 전극.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 따르는 전극의 제조 방법으로서,
    a) 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액을 밸브 금속 기판 상에 도포한 후, 이리듐과 루테늄의 합으로서 표현되는 귀금속 비부하량이 0.4 내지 1g/㎡로 달성될 때까지, 50 내지 60℃에서 건조시키고 450 내지 600℃에서 5 내지 30분의 시간 동안 열분해시키는 단계;
    b) 6 내지 12g/㎡의 귀금속 비부하량을 갖는 촉매 코팅이 수득될 때까지 단계 a)를 반복하는 단계;
    c) 450 내지 600℃에서 50 내지 200분의 시간 동안 열처리하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산성 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄, 바람직하게는 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄 및 보다 바람직하게는 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 함유하는, 방법.
  8. 전해 공정에서의 가스 발생을 위한 전극의 제조 방법으로서,
    a) 원소들에 대한 몰 백분율로, 5-40%의 주석, 3.6-15%의 이리듐, 18-40%의 루테늄 및 30-70%의 티타늄을 함유하는, 이리듐, 루테늄, 주석 및 티타늄의 하이드록사아세토클로라이드 착물을 함유하는 아세트산 용액을 밸브 금속 기판 상에 도포한 후, 이리듐과 루테늄의 합으로서 표현되는 귀금속 비부하량이 0.4 내지 1g/㎡로 달성될 때까지, 50 내지 60℃에서 건조시키고 450 내지 600℃에서 5 내지 30분의 시간 동안 열분해시키는 단계;
    b) 6 내지 12g/㎡의 귀금속 비부하량을 갖는 촉매 코팅이 수득될 때까지 단계 a)를 반복하는 단계;
    c) 450 내지 600℃에서 50 내지 200분의 시간 동안 열처리하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산성 용액은, 원소들에 대한 몰 백분율로, 6-30%의 주석, 3.7-12%의 이리듐, 20-30%의 루테늄 및 50-70%의 티타늄 및 바람직하게는 8-18%의 주석, 4-10%의 이리듐, 18-36%의 루테늄 및 45-65%의 티타늄을 함유하는, 방법.
  10. 제6항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 단계 a) 및 c)의 열분해 온도는 480 내지 550℃인, 방법.
  11. 애노드 구획과 캐소드 구획을 포함하며, 상기 애노드 구획은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 전극이 장착되어 있는, 알칼리 염화물 용액의 전기분해를 위한 전해조.
  12. 제11항에 있어서, 상기 애노드 구획 및 상기 캐소드 구획은 격막 또는 이온교환막에 의해 분리되어 있는, 전해조.
  13. 모듈식 배열의 제12항에 따른 전해조를 포함하는, 알칼리 염화물 용액으로부터의 염소 및 알칼리의 생성을 위한 전해기(electrolyzer).
KR1020217001752A 2018-06-21 2019-06-13 염소의 전해 발생을 위한 애노드 KR20210022686A (ko)

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