KR870001769B1 - Electrodes and method for its manufacture - Google Patents

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더다우 케미칼 캄파니
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Abstract

The cathode is made by (a) applying to an electroconductive substrate a coating soln. of metal oxide precursor cpd. (s) and an etchant for the substrate or a previously applied coating; (b) heating to remove volatiles and concentrate and recoat metal deposit from the precursor cpds. and etched from the substrate or prior coating; and (c) heating in the presence of air, 02 or oxidision agent to oxidise the metal deposit. An electrode for use in an electrochemical cell comprises a layer of Ni having a tightly coated heterogeneous metal oxide coating contg. NiO and a Pt gp. metal oxide.

Description

전기화학 전해조용 전극 및 그 제조방법Electrochemical Electrolyzer Electrode and its Manufacturing Method

제1도는 일부 시험의 데이타에 대한 그래프.1 is a graph of the data of some tests.

본 발명은 전극의 제법과, 전해조 특히 염수전해조에서의 그 상용법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to the manufacturing method of an electrode, and its commercial method in an electrolytic cell especially a salt electrolyzer.

클로르 알칼리의 제조헤 사용되는 전해조로는 수은조, 격막(diaphragm)조 및 멤브레인(membrane)조등 세가지가 있다. 이들 각조의 조작은 "화학 기술에 관한 커크-오스머 백과사전(KIRK-OTHMER ENC YCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY)"의 제3판, 제1권, 799페이지에 기재되어 있다. 수용액 전해용 전극을 사용하는 다른 전해조는 클로라이트조(Chlirate cell) 라 하며, 음극과 양극사이에 분할기 또는 분리기를사용하지 않는다. 수은조에 있어서, 알칼리 금속염의 전해에 의해 생기는 알칼리 금속 침전물은 수은과 함께 아말감을 형성하며, 이 아말감은 물과 반응할때 NaOH를 발생시키고 수은을 유리시키며, 이러한 수은은 회수되어 액체음극으로 순환사용될 수 있다.There are three electrolytic baths used in the manufacture of chlor-alkali, mercury baths, diaphragm baths and membrane baths. The manipulations of these articles are described in the third edition, KIR-OTHMER ENC YCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY, Volume 1, page 799. Other electrolysers using aqueous electrolysis electrodes are called chlorite cells and do not use a divider or separator between the cathode and the anode. In mercury baths, alkali metal precipitates formed by electrolysis of alkali metal salts form amalgams with mercury, which produce NaOH and liberate mercury when reacted with water, which is recovered and recycled to the liquid cathode. Can be.

클로로 알칼리 전해법에서는, 염수용액(전해액)은 음극과 양극 사이에 격막이나 또는 멤브레인을 갖춘 전해조에 전류를 통과시켜 전기 분해한다. 양극에는 염소가 생기고, 음극에는 수산화나트륨(NaOH)과 수소(H2)가 형성된다. 전지에 계속하여 염수가 공급되고, 한편, Cl2, NaOH 및 H2가 계속하여 전지로부터 빠져나간다.In the chloro-alkali electrolysis method, a salt solution (electrolyte) is electrolyzed by passing a current through an electrolytic cell having a membrane or a membrane between the cathode and the anode. Chlorine is formed at the positive electrode, and sodium hydroxide (NaOH) and hydrogen (H 2 ) are formed at the negative electrode. The brine is subsequently supplied to the cell, while Cl 2 , NaOH and H 2 continue to exit the cell.

전해염을 Cl2, NaOH 및 H2로 전기분해하는데 필요한 최소전압은 열역학 데이타를 사용하여 계산할 수 있다. 그러나, 실제로는 이론 상의 전압만으로는 목적을 달성하기 어려우므로, 여러가지 전해조에 고유한 저항을 극복하려면 더 높은 전압을 사용하여야 한다. 격막 또는 멤브레인의 작동 효율을 증가시키기 위하여, 전극의 과전압이나, 격막 또는 멤브레인의 전기 저항이나, 전해되는 염수의 전기 저항을 저감시키려는 시도가 있었다. 본 발명은 염수의 전해시에 음극으로서 특히 유용하며, 음극의 과전압이 실질적으로 감소되게 하며, 전력 효율이 향상되는 전극에 관한 것이다.The minimum voltage required to electrolyze an electrolytic salt into Cl 2 , NaOH and H 2 can be calculated using thermodynamic data. In practice, however, the theoretical voltage alone makes it difficult to achieve the purpose, and higher voltages must be used to overcome the resistance inherent in various electrolyzers. In order to increase the operating efficiency of the diaphragm or membrane, attempts have been made to reduce the overvoltage of the electrode, the electrical resistance of the diaphragm or membrane, or the electrical resistance of the brine being electrolyzed. The present invention relates to an electrode which is particularly useful as a cathode in the electrolysis of brine, which allows the overvoltage of the cathode to be substantially reduced and the power efficiency is improved.

해마다 수백만톤이 알칼리 금속 할라이드와 물을 전기분해하기 때문에, 작동 전압을 0.05V 정도만 감소시키더라도 막대한 에너지를 절약하게 된다. 따라서, 공업부문에서는 소용 전압을 절감시킬 수 있는 수단을 강구하였다.Since millions of tonnes of electrolysers of alkali metal halides and water each year reduce the operating voltage by only 0.05V, saving enormous energy. Therefore, the industrial sector has devised a means to reduce the required voltage.

클로로 알칼리 기술이 개발됨에 따라, 전재조전압을 저감시키는 여러가지 방법이 개발되었다. 일부에서느 전해조의 물리적 설계를 변경시킴으로써 전해조의 전압을 감소시키고자 노력하였고, 다른 일부에서는 양극이나 음극에서 과전압을 감소시키는데 노력을 집중하였다. 본 발명은 과전압이 매우 낮은 것이 특징인 전극을 만드는 새로운 방법과 전극을 전해조에 사용하는 것에 관한 것이다.As chloro-alkali technology has been developed, several methods have been developed to reduce pre-voltage. Some have tried to reduce the voltage of the cell by changing the physical design of the cell, while others have focused their efforts on reducing the overvoltage at the anode or cathode. The present invention relates to a novel method of making an electrode characterized by very low overvoltage and to the use of the electrode in an electrolytic cell.

전극의 과전압은 전류 밀도와 그 조성의 함수라는 것은 이미 알려져 있다. 여기에서, 전류 밀도는 전극의 실 단위 표면적당의 암페어를 말하고, 조성이란 전극의 화학적 및 물리적 구성을 말한다. 그러므로, 전극의 표면적을 증가시키는 방법에 있어서는 부여된 표면적인 전류 밀도에서 그 과전압을 감소시켜야한다. 양질의 전기촉매인 조성물을 사용하는 것도 바람직하며, 이것도 과전압을 감소시킨다.It is already known that the overvoltage of an electrode is a function of the current density and its composition. Here, the current density refers to amperes per actual unit surface area of the electrode, and the composition refers to the chemical and physical composition of the electrode. Therefore, in a method of increasing the surface area of an electrode, it is necessary to reduce its overvoltage at a given surface area current density. It is also desirable to use a composition that is a good electrocatalyst, which also reduces overvoltage.

이 기술분야에서는 플라즈마 또는 불꽃 방사를 이용하여 전극에 전도성 금속을 피복시키는 것이 널리 알려져 있다. 미합중국 특허 제1,263,959호에서는 양극에니켈미립자를 분무하고, 입자는 용융되어 철기판상에 플라즈마에 의해 흡착되어, 양극을 피복하는 방법이 공개되었다.It is well known in the art to coat conductive metals on electrodes using plasma or flame radiation. US Patent No. 1,263, 959 discloses a method of spraying nickel fine particles in a positive electrode, melting the particles, adsorbing by plasma on an iron substrate, and covering the positive electrode.

음극도 전극성 금속으로 피복되었다. 미합중국 특허 제3,992,278호에서는 음극을 플라즈마 또는 불꽃방사에 의하여 입자 코발트와 입자 지르코늠의 혼합물로 피복하는 방법을 공개하였다. 이러한 전극은 물이나 수성 알칼리 금속 할라이드렴 수용액의 전해에 사용하면 수소과전압을 오랫동안 저하시키는 것으로 알려져 있다.The cathode was also covered with an electrodeic metal. US Patent No. 3,992,278 discloses a method of coating a cathode with a mixture of particle cobalt and particle zirconium by plasma or flame spinning. Such an electrode is known to reduce hydrogen overvoltage for a long time when used for electrolysis of water or aqueous alkali metal halide solution.

전극을 플라즈마 또는 불꽃 방사로 피복하기 위하여 여러가지 금속과 금속 혼합물이 사용되었다. 미합중국 특허 제3,630,770호에서는 란탄브라이드의 사용을 기술하고, 미합중국 특허 제3,649,355호에서는 텅스텐 또는 텅스텐 합금의 사용을 미합중국 특허 제3,788,968호에서는 탄화티탄 또는 질화티탄과 적어도 하나 이상의 백금 족금속이나 산화금속 및 다공질의 제2산화물 코팅의 사용을 미합중국 특허제3,945,907호에서는 레늄의 사용을 미합중국 특허 제3,974,058호에서는 코발트의 피복과 다시 그 위에 루테늠을 피복하는 것을 기술하고 있다.Various metals and metal mixtures have been used to cover the electrodes with plasma or spark radiation. US Pat. No. 3,630,770 describes the use of lanthanide, while US Pat. No. 3,649,355 describes the use of tungsten or tungsten alloys in US Pat. US Pat. No. 3,945,907 describes the use of rhenium, and US Pat. No. 3,974,058 describes the coating of cobalt and luteum on top of it.

마찬가지로, 다공질 전극을 선택적 침출(leaching)에 의하여 피복하는 방법도 잘 알려져 있다. 전극을 입자니켈로 피복한 다음에, 미합중국 특허 제2,928,783호 및 제2,969,315호에서 공개한 방법에 따라 니켈을 소성하여, 합금을 기판위에 전기용착시킨 다음에, 미합중국 특허 제3,272,788호에서 공개한 바에 따라 합금의 제1성분을 침출하고, 두개 이상의 성분을 함께 또는 전극 기판위에 압착 또는 접착시킨 다음에, 미합중국 특허 제3,316,159호, 제3,326,725호, 제3,427,204호, 제3,713,891호 및 제3,802,878호에서 공개한 바와같이, 피복 성분중에서 하나 이상을 선택적으로 침출한다.Similarly, methods of coating porous electrodes by selective leaching are also well known. The electrode was coated with particle nickel, followed by calcining nickel according to the methods disclosed in US Pat. Nos. 2,928,783 and 2,969,315, and electroplating the alloy onto a substrate, and then as disclosed in US Pat. No. 3,272,788. Leaching the first component of the alloy and pressing or adhering the two or more components together or on the electrode substrate, and then as disclosed in U.S. Patent Nos. 3,316,159, 3,326,725, 3,427,204, 3,713,891 and 3,802,878 Likewise, one or more of the coating components are selectively leached.

전극의 플라즈마 분사 또는 불꽃 분사 다음에 침출 단계를 거쳐 전극을 만드는 방법과, 전기도금단계 다음에 침출 단계를 거치는 방법도 공개되었다. 이러한 방법의 예를들어 보면, 미합중국 특허제3,219,730호에서는 기판을 다중 산화물 필름 피복으로 입힌 다음에, 침출에 의하여 기판을 제거함으로써 전극을 형성하는 방법을, 미합중국 특허 제3,403,057호에서는 라네이(Raney)합금을 기판위에 플라즈마 또는 불꽃 분사한 다음에, 합금으로부터 알루미늠을 침출함으로써 다공질 전극을 남기는 방법을, 미합중국 특허 제3,492,720호에서는 텅스텐, 티탄 또는 그합금을 알루미늄, 토륨 및 지르코늄 산화물과 함께 기판위에 플라즈마 분사하는 방법을 각각 공개하였다. 그 다음에는 기판을 제거하고, 다공질 전극만 남긴다.A method of making an electrode through a leaching step after plasma or flame injection of the electrode, and a method of going through a leaching step after an electroplating step have also been disclosed. For example, in US Pat. No. 3,219,730, a method of forming an electrode by coating a substrate with a multiple oxide film coating and then removing the substrate by leaching is disclosed in US Pat. No. 3,403,057. Plasma or flame spray on the substrate and then leave the porous electrode by leaching aluminium from the alloy. In US Pat. No. 3,492,720, tungsten, titanium or its alloys are plasma sprayed onto the substrate together with aluminum, thorium and zirconium oxide. Each method was disclosed. The substrate is then removed, leaving only the porous electrode.

미합중국 특허 제3,497,425호에서는 기판을 먼저 비교적 불용성 금속으로 피복한 다음에, 더 쉽게 용해하는 금속으로 다시 피복함으로써, 다공질 전극을 만드는 방법을 공개하였다. 여기에서는 두 피복 사이의 상호 확산을 일으키게 하려면 열처리가 필요하며, 그것도 각 피복을 따로 열처리하여야 최적 상태를 얻게 된다. 그 다음에 가용성 금속을 침출하면 다공질전극이 남게된다. 미합중국 특허 제3,618,136에서는 제2성분 염 조성들을 기판상에 피복하고, 시스템으로부터 가용성분을 침출함으로써 다공질 전극을 형성하는 제법을 기재하고 있다.US Patent No. 3,497, 425 discloses a method of making a porous electrode by first coating the substrate with a relatively insoluble metal and then again with a more easily soluble metal. In this case, heat treatment is required to cause mutual diffusion between the two coatings, and each coating must be heat treated separately to obtain an optimal state. After leaching the soluble metal, the porous electrode remains. US Pat. No. 3,618,136 describes a process for forming a porous electrode by coating a second component salt composition on a substrate and leaching solubles from the system.

여기에서는 2성분염혼합물들이 공용 혼합물이어야 하고, 활성 및 비활성 염류로서는 예를들어 염화은 염화나트륨 등과 동일한 음이온을 사용하여야 최적의 결과를 얻게된다.In this case, the two-component salt mixtures should be co-mixed, and the active and inert salts, for example, silver chloride, the same anion as the best results are obtained.

네델란드 왕국 특허원 제75-07550호에서는 니켈, 코발트, 크롬, 망간 및 철 등에서 선택한 적어도 하나의 비귀금속과 제2회생금속의 합금을 피복한 후에, 이 희생금속의 적어도 일부를 제거함으로써 다공성 음극을 만드는 방법을 공개하였다. 특히, 희생금속은 아연, 알루미늄, 마그네슘 및 주석중에서 선택된다.Dutch Patent Application No. 75-07550 discloses a porous cathode by coating an alloy of at least one non-noble metal selected from nickel, cobalt, chromium, manganese and iron with a second regenerative metal and then removing at least a portion of the sacrificial metal. How to make it public. In particular, the sacrificial metal is selected from zinc, aluminum, magnesium and tin.

희생금속은 수산화나트륨 용액(lye Solution)이나 산용액으로 침출하여 제거한다.The sacrificial metal is removed by leaching with sodium hydroxide solution or acid solution.

일본 특허 제31-6611호에서는 기판위에 니켈피복을 전기도금한 다음에, 알칼리성 용액속에서 녹을 수 있는 아연이나 기타 가용 물질을 피복하여, 다공성 전극을 만드는 방법을 공개하였다. 그 다음에, 이 피복된 전극을 알칼리 용액속에 담그거나, 전기 화학적 양극화 처리를 하여 아연이나 기타 가공물질을 용리 제거함으로써, 다공질 전극을 형성한다. 일부 실시예에서는 침지전에 피복 전극을 열처리하여야 한다.Japanese Patent No. 31-6611 discloses a method of making a porous electrode by electroplating a nickel coating on a substrate and then coating zinc or other soluble material that can be dissolved in an alkaline solution. The coated electrode is then immersed in an alkaline solution or subjected to electrochemical anodization to elute remove zinc or other processed material to form a porous electrode. In some embodiments, the coated electrode must be heat treated before immersion.

미합중국 특허 제4,279,709호에서는 입자 금속과 무기입자 화합물 기공형성제의 혼합물을 피복한 다음에, 기공형성제를 침출하여 기공을 형성함으로써 과전압이 저감된 전극을 포함하는 전극의 제법을 공개하였다.US Patent No. 4,279,709 discloses a method for manufacturing an electrode including an electrode having reduced overvoltage by coating a mixture of the particle metal and the inorganic particle compound pore-forming agent and then leaching the pore-forming agent to form pores.

특히 티탄에 원소 주기율표의 8족 금속의 산화물을 피복한 필름 형성 금속기판 전극은 특히, 티탄 전극은 다른 산화 금속과 함께 사용하면, 염수 전해의 경우에서와 같은 전해법에서 양극으로 매우 유용하다는 것이 알려져 있다. 다른 여러가지 산화 금속과 관련하여, 루테늄 산화물, 백금 산호물 및 기타 백금계열의 산화물은 양극으로 사요할 밸브 금속기판(특히 Ti)의 피복으로서 매우 적합하다고 인정을 받고 있다. 이러한 양극에 관한 특허로는 미합중국 특허 제3,869,312호, 제3,632,498호 및 제3,711,385호가 있다. 이와같은 피복은 여러가지 방법으로 실시할 수 있는데, 예를들면 미합중국 특허 제3,869,312호에서는 필름 형성 금속 산화물과 조합된 백금족 금속 산화물은 지지체에 임의로 환원제를 포함하는 유기액상 부형제(rehicle)중의 백금족의 열분해성 화합물과 필름 형성 금속의 유기화합물의 혼합물을 만들고, 유기 부형제를 증발시켜 피복을 건조시킨 후 지지체를 400내지 550℃로 가열하여 금속 산화물의 피복도 형성한다. 미합중국 특허 제3,632,498호에서는 플라즈마 버너를 이용하여, 백금족 금속과 필름 형성 금속의 열분해성화합물로 피복되어 있는 기판을 가열하고, 이 금속을 갈바니조 속에서 전기 용착시킨 다음에, 공기속에서 가열하여 산화물을 형성시킴으로써, 백금족 금속과 피복 형성 금속의 미분 산화물 피복이 형성될 수 있음을 기술하고 있다.Particularly, film-forming metal substrate electrodes coated with titanium oxides of Group 8 metals of the Periodic Table of the Elements are known to be very useful as anodes in the same electrolytic method as in the case of brine electrolysis, especially when titanium electrodes are used in combination with other metal oxides. have. In connection with a variety of other metal oxides, ruthenium oxide, platinum coral and other platinum-based oxides are recognized as being very suitable as a coating for valve metal substrates (particularly Ti) to be used as anodes. Patents relating to such anodes include US Pat. Nos. 3,869,312, 3,632,498 and 3,711,385. Such coating can be carried out in a number of ways, for example, in U.S. Patent No. 3,869,312, the platinum group metal oxides in combination with film forming metal oxides are characterized by thermal decomposition of the platinum group in an organic liquid excipient which optionally includes a reducing agent in the support. A mixture of an organic compound of a compound and a film forming metal is prepared, the organic excipient is evaporated to dry the coating, and the support is then heated to 400 to 550 ° C. to form a coating of the metal oxide. In U.S. Patent No. 3,632,498, a plasma burner is used to heat a substrate coated with a thermally decomposable compound of a platinum group metal and a film forming metal, and the metal is electrically deposited in a galvanic bath, followed by heating in air to form an oxide. It is described that by forming a fine powder oxide coating of the platinum group metal and the coating forming metal can be formed.

금속 산화물 표면으로된 전극에 관한 특허로서는 미합중국 특허 제3,616,445호, 제4,003,817호, 제4,072,585호, 제3,977,958호, 제4,061,549호, 제4,073,873호, 제4,142,005호가 있다.Patents relating to electrodes having metal oxide surfaces include US Pat. Nos. 3,616,445, 4,003,817, 4,072,585, 3,977,958, 4,061,549, 4,073,873, and 4,142,005.

수소 발생을 활성 피복주에 백금족 금속 산화물 특히 루테늄의 사용법도 이미 알려져 있다. 일본 특허 공고 제65-9130호 및 일본 특허원 제76-131474호 및 제77-11178호에서는 백금족 금속 산화물과 다른 금속 산화물과의 혼합물은 활성 음극 피복으로 사용하는 방법을 공개하였다. 미합중국 특허 제4,238,311호에서는 니켈중에서 백금족 금속과 백금족 금속 산화물의 미립자로 구성된 음극피복이 음극피복으로 유용하다는 것을 밝히고 있다.The use of platinum group metal oxides, especially ruthenium, in the production of hydrogen in active coatings is also known. Japanese Patent Publications No. 65-9130 and Japanese Patent Application Nos. 76-131474 and 77-11178 disclose a method in which a mixture of platinum group metal oxides with other metal oxides is used as an active cathode coating. U.S. Patent 4,238,311 discloses that a cathode coating consisting of fine particles of platinum group metal and platinum group metal oxide in nickel is useful as a cathode coating.

일반적으로, 페름이온막(Permionic membrane)을 사용하는 현대식 클로로 알칼리 전해조의 수소 방출용 활성 촉매로 백금족 금속 산호물을 사용하는 것은 NaOH의 농도가 30%이상이고, 온도가 95˚를 초과하는 흔치는 않으나 발생가능성이 있는 극단적인 NaOH 농도 및 온도 싱태때문에 사요하기 어렵다는 것이 이미 알려져 있다. 종래의 방법에 의하여 만든 산화물 피복은 사용에 의해 노쇠도어 기판과의 실질 검착력이없어지게 됨으로써 기초 금속으로 환원되어 버리기도 한다는 것이 판명되었다.In general, the use of platinum group metal corals as an active catalyst for hydrogen evolution in modern chloro-alkali electrolyzers using a permionic membrane is common in cases where the concentration of NaOH is above 30% and the temperature exceeds 95 °. However, it is already known that it is difficult to use due to possible extreme NaOH concentrations and temperature conditions. It has been found that the oxide coating made by the conventional method is reduced to the base metal by the use of which the actual coating force with the aging door substrate is lost.

본질적으로, 저수소과전압 특성이 있는 금속들로 이루어진 촉매피복은 실제에 있어서 전해 과정에서 사용하는 염수와 물속에 흔히 들어있는 예를들어 철분과 같음 금속 오염물이 위에 도금되기 때문에, 촉매활동이 크게 저하된다는 것도 잘 알려진 사실이다. 따라서, 현대식 전해막 클로르 알칼리 전해조내에서 수소를 방출시키는데 유용하다고 생각되는 활성 피복은 예를들어 니켈이나 여러가지 스테인레스강과 같이, 이와같은 상태에서도 화학적 침식에 어느 정도 내성이 있는 조성물로 된 표면적이 넓거나 다공질인 피복등에 한정되어 있다.In essence, catalyst coatings made of metals with low hydrogen overvoltage characteristics actually reduce the catalytic activity because, in practice, electrolytic salts and metals such as iron, commonly found in water, are coated on top of metal contaminants. It is also well known. Thus, active coatings that are considered useful for releasing hydrogen in modern electrolytic membrane chlor-alkali electrolysers may have a large surface area of a composition that is somewhat resistant to chemical erosion in such conditions, such as, for example, nickel or various stainless steels. It is limited to porous coatings and the like.

이러한 경우에 있어서, 표면적이 넓은 피복의 성능은 전해 과정에서 사용하는 염수와 물속에 있는 금속오염물, 통상적으로 철(Fe)을 함유하는 동일 양상의 피복에 의해 특징지워지는 정도로 저하되기 때문에, 실제로는 저수소과전압 촉매가 그 촉매특성을 충분히 발휘하지 못한다. 따라서, 코팅의 전해활동을 특징지우는 타펠경사의 철의 타펠 경사(Tafel Slope)로 변하기 때문에, 특히 전류밀도가 0.23내지 0.54amp/㎠ 이상인때에는 현대식 막클로르 알칼리 전해조에서 통상적으로 발생하는 바와 같이 수소과전압이 증가하게 된다. 그러나 막클로르 알카리 전해조에서 저타펠 경사를 특징으로 하는 재료, 즉 백금족 금속 산화물, 특히 루테늄 산호물의 고유한 저과전압 특성을 장기 작동중 계속하여 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하여 백금족 금속과 제2전기 촉매성 금속의 산호물로 만든 활성 피복은 높은 NaOH 농도, 온도 및 처리 압력하에서도, 염수 전해음극으로서 저수소과전압, 물리적 안정성 및 장기간 효율등의 우수한 특성을 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 온도, NaOH 농도, 압력 등의 일부 처리 조건하에서는 염수와 수산화나트륨의 생성 전해법에서 본 발명에 의한 전극을 사용하면, 다른 방법으로는 실제로 달성하지 못하는 에너지 소요량의 감소를 달성할 수 있다는 것도 판명되었다.In this case, since the performance of the coating with a large surface area is degraded to the extent that it is characterized by the coating of the same aspect containing the brine used in the electrolytic process and the metal contaminants in water, typically iron (Fe), in practice Low hydrogen overvoltage catalysts do not fully exhibit their catalytic properties. Therefore, the hydrogen overvoltage, as is commonly found in modern membrane chlor-alkali electrolyzers, especially when the current density is 0.23 to 0.54 amp / cm 2 or more, as it changes to the iron's Tafel slope, which characterizes the electrolytic activity of the coating. Will increase. However, it is desirable to maintain the inherent low overvoltage characteristics of materials characterized by low-tape slopes in the Mkchlor alkaline electrolyzer, ie platinum group metal oxides, especially ruthenium coral, during long term operation. According to the present invention, an active coating made of a coral group of a platinum group metal and a second electrocatalyst metal has excellent characteristics such as low hydrogen overvoltage, physical stability and long-term efficiency as a salt electrolytic cathode even under high NaOH concentration, temperature and processing pressure. It turned out. It has also been found that, under some processing conditions, such as temperature, NaOH concentration, pressure, etc., using the electrode according to the invention in the production electrolysis of brine and sodium hydroxide, it is possible to achieve reductions in energy requirements that are not actually achieved by other methods. .

본 발명은 특히 저수소 과전압 음극의 제법에 관한 것으로서, 이 방법에는 전도성 기판에 금속 산화물 선구제 화합물과 기판이나 이전에 부착한 피복의 표면을 부식시킬 수 있는 부식제와의 피복용액을 부가한 다음에, 피복된 기판을 가열하여 기판에서 휘발성 물질을 제거하고, 선구제 화합물의 금속 침전물과 기판이나 이전의 피복에서 부식된 금속 칭전물을 기판이나 이전에 부착시킨 피복위에 재피복시킨 다음에, 산소, 공기 또는 산화제속에서 이를 충분한 온도로 가열하여 금속 침전물을 산화시키는 단계가 포함되어 있다.The present invention relates in particular to the preparation of low hydrogen overvoltage cathodes, in which a coating solution of a metal oxide precursor compound and a corrosive agent capable of corroding the surface of a substrate or a previously attached coating is added to a conductive substrate. The coated substrate is heated to remove volatiles from the substrate, and the metal precipitates of the precursor compound and the metal deposits corroded from the substrate or the previous coating are recoated on the substrate or the previously adhered coating, followed by oxygen, It involves oxidizing the metal precipitate by heating it in air or oxidant to a sufficient temperature.

백금속 금속과 제2전기촉매금속의 불균질 혼합 산화물로 피복된 전도성 또는 비전도성 기판으로 구성되는 전극은 가용성 금속 화합물과 기판용 부식제를 기판에 부착시키고, 연속 피복의 경우에는 이미 기판에 피복된 금속 산화물을 부식시켜서 화학적으로 내성이 있는 피복부분을 침식하여 가용성이 있게 한 다음에, 기판을 가열하여 금속 침전물을 산화시켜서 금속 침전물을 기판에 집중 재용착시키고, 이것을 산화시켜서 견고하고 안정된 불균질 금속 침전물 산화물 혼합물이 되게하는 방법으로 만든다.An electrode composed of a conductive or nonconductive substrate coated with a heterogeneous mixed oxide of a white metal and a second electrocatalyst metal attaches the soluble metal compound and the caustic for the substrate to the substrate, and in the case of continuous coating, is already coated on the substrate. The metal oxides are corroded to corrode chemically resistant coatings to make them soluble, and then the substrate is heated to oxidize the metal precipitates to concentrate redeposit the metal precipitates on the substrate, which is then oxidized to form a solid and stable heterogeneous metal. It is made in such a way that a precipitate oxide mixture is obtained.

전도성 기판은 전극을 만드는 동안에 그 물리적 완전성을 유지하는 금속 구조로 만드는 것도 좋다. 철계통 금속을 타금속, 즉 니켈이나 필름 형성금속(밸브 금속으로 알려짐)으로 피복하는 것과 같은 금속 적층도 사용할 수 있다. 기판으로는 철, 강철 스테인레스강 또는 철을 주성분으로 하는 다른 합금과 같은 금속도 좋다. 기판으로는 필름 형성 금속과 같은 비철금속 또는 예를들어 니켈과 같이 필름을 형성하지 않는 금속도 종하다. 필를 형성 금속에는 특히, 티탄, 탄탈, 지르코늄, 니오브, 텅스텐 및 그 합금이나 소량의 타금속과의 합금 등이 포함된다. 비전도성 기판은 전도성 층으로 피복된 뒤 그위에 본 발명의 금속 산화물이 피복되는 경우에 특히 이용될 수 있다.The conductive substrate may be made of a metal structure that maintains its physical integrity during electrode making. Metal laminations such as coating iron-based metals with other metals, such as nickel or film forming metals (known as valve metals), can also be used. The substrate may be a metal such as iron, steel stainless steel, or another alloy based mainly on iron. Substrates also include non-ferrous metals such as film forming metals or metals that do not form films such as nickel, for example. Metals forming the pill include, in particular, titanium, tantalum, zirconium, niobium, tungsten and alloys thereof and alloys with small amounts of other metals. Non-conductive substrates may be used in particular when the metal oxides of the invention are coated on top of the conductive layer.

이 피복법에서 사용하는 기판의 모양은 평판, 곡면 등 여러가지로 할 수 있다. 이 새로운 피복법은 이에 관련된 화학적 단계와열처리 단계가 전극 재료로 사용할 수 있는 어떠한 모양의 기판에도 적용할 수 있기 때문에, 특정한 모양의 기판에도 한정되는 것은 아니다 많은 전해조에는 유공박판이나 평판이 포함되어 있는데, 이러한 판들은 구부려서 간격이 떨어진 평행양측면들이 있는 "포켓"전극을 형성하는 경우가 있다.The board | substrate used by this coating method can be made into various shapes, such as a flat plate and a curved surface. This new coating method is not limited to substrates of any shape because the chemical and heat treatment steps involved can be applied to any shape of substrate that can be used as an electrode material. Many electrolyzers contain perforated plates or plates. In some cases, these plates are bent to form "pocket" electrodes with parallel sides spaced apart.

양호한 기판의 형상에는 팽창메시(mesh), 천공판, 직조형 와이어, 소성금속판 등이 있으나, 팽창메시가 다공성 기판으로 가장 많이 사용된다.Preferred substrates include expanded meshes, perforated plates, woven wires, and fired metal plates, but expanded meshes are most commonly used as porous substrates.

양호한 기판조 성물로는 니켈, 철, 구리, 강철, 스테인레스강 또는 니켈로 적층한 철계통 금속 등이 포함된다. 금속 산화물 피복을 증착시킨 기판은 그 자체의 하부 기판이나 또는 기판상에 니켈, 철, 구리 등으로 부착된 하부 기판에 의해 지지되거나 또는 강화된다. 금속 산화물 피복이 만들어져 있는 기판은 자체의 적층판 또는 피복 구조의 외층이며, 금속 산화물 피복이 그 위에 형성된 비전도성 기판으로도 좋다.Preferred substrate compositions include nickel, iron, copper, steel, stainless steel, or iron based metals laminated with nickel. The substrate on which the metal oxide coating is deposited is supported or reinforced by its lower substrate or by a lower substrate attached with nickel, iron, copper or the like on the substrate. The substrate on which the metal oxide coating is made is an outer layer of its own laminate or coating structure, and may be a non-conductive substrate having a metal oxide coating formed thereon.

백금족 금속으로는 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt 등이 포함되어 있는데, 그중 백금과 류텐늄이 많이 사용된다. 가용성 백금 금속 화합물은 할라이드, 황산염, 질산염, 기타 가용성염이나 가용성 금속 화합물이 포함되며, RuCl3수화물, PtCl4수화물 등과 같은 할라이드염이 많이 사용된다.Platinum group metals include Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, etc. Among them, platinum and ruthenium are used. Soluble platinum metal compounds include halides, sulfates, nitrates, other soluble salts or soluble metal compounds, and halide salts such as RuCl 3 hydrate, PtCl 4 hydrate and the like are frequently used.

본 발명의 제2전기 촉매금속 산화물 선구물질은 Ni, Co, Fe, Cu, W, V, Mn, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, Cd, Cr, B, Sn, La, Si등의 가용성 화합물중에서 유도된 적어도 한 종류인 것이 좋다. 그중에서, Ni, Zr 및 Ti 등이 많이 사용되고, Ni가 가장 양호하다.The second electrocatalyst metal oxide precursor of the present invention is soluble in Ni, Co, Fe, Cu, W, V, Mn, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, Cd, Cr, B, Sn, La, Si, etc. It is preferably at least one kind derived from the compound. Among them, Ni, Zr, Ti and the like are used a lot, and Ni is the best.

본 발명의 용액에는 기판을 부식시킬 수 있고, 제2및 그 이후의 피복을 입히는 경우는 이전에 형성된 산화물중에서 화학적 감수성이 가장 예민한 부분들을 부식시켜 용해시킬 수 있으나, 온도가 상승하는 경우에 있어서, 가열된 혼합물로 부터 백금족 산화물 선구물질과 제2전기 촉매 금속 산화물 선구물질에서 생기는 휘발성 음이온이나 부(負) 원자가기와 동시에 증발할 수 있는 적어도 하나 이상의 화학 활성제가 포함된다. 양호한 화학 활성 부색제에는 염산, 황산, 질산, 인산 등과 같은 대부분의 산과 히드라진 하이드로설페이트 등이 포함되며, 그중에서 염산과 히드라진 하이드로설페이트가 가장 좋다.In the solution of the present invention, the substrate may be corroded, and the second and subsequent coatings may be used to corrode and dissolve the most sensitive chemically sensitive parts of the previously formed oxide, but in the case of an elevated temperature, At least one chemical activator capable of simultaneously evaporating from the heated mixture simultaneously with the volatile anions or minor valences generated from the platinum group oxide precursor and the second electrocatalyst metal oxide precursor. Preferred chemically active colorants include most acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid and hydrazine hydrosulfate, among which hydrochloric acid and hydrazine hydrosulfate are the best.

일반적으로, 본 발명에 있어서 좋은 방법은 필요한 기판에 적어도 하나의 백금족 금속 화합물, 적어도 하나의 전기 촉매 금속 화합물 및 화학적 부식제와 바람직하기로는 이소프로 판올과 같은 휘발성 유기 부형제로 형성된 용액을 도포하고, 휘발성 부형제를 증발시켜 부식제와 용해된 금속 침전물만 남긴후, 금속을 농축시킨 금속 산화물 선구물질에서 이탈한 음이온 또는 부원자가기와 함께 휘발된 부식제를 실질적으로 추출하여 금속 침전물을 농축하기에 충분한 온도로 기판을 가열하여 산소나 공기속에서 기판상의 금속을 열적으로 산화시켜서 금속 산화물로 변화시키기에 충분할 정도로 기판을 가열시킴으로써 이루어진다.In general, a good method in the present invention is to apply a solution formed of at least one platinum group metal compound, at least one electrocatalytic metal compound and a chemical caustic and a volatile organic excipient, preferably isopropanol, to a substrate of interest and is volatile After evaporation of the excipients leaving only the caustic and dissolved metal precipitates, the substrate is heated to a temperature sufficient to substantially concentrate the metal precipitates by substantially extracting the volatilized caustic with anion or secondary atom leaving the metal oxide precursor. Heating the substrate to a degree sufficient to thermally oxidize the metal on the substrate in oxygen or air to convert it to a metal oxide.

피복의 두께를 증가시켜본 발명의 효과를 최대한으로 달성하기 위해 위에 설명한 단계를 여러차례 반복할 수 있다. 그외에도 각 열산화단계 사이에 금속 산화물 선구물질을 두층 이상 부설하면 유리한 경우가 많다.The steps described above may be repeated several times to increase the thickness of the coating to achieve the maximum effect of the present invention. In addition, it is often advantageous to lay two or more layers of metal oxide precursors between each thermal oxidation step.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 전극 재료는 니켈 산화물 및 백금족 금속 산화물(예를들어 ZrO2와 같은 임의 금속 산화물이 들어 있는)이 포함된 불균질 금속 산화물 피복을 다음과 같은 방법으로 니켈금속층(전도성 기판 위에 니켈층이 형성되는 형태도 좋다.)위에 형성시켜서 만든다. 즉, (1) 니켈 산화물 선구물질, 백금족 금속 산화물 선구물질, 임의 변성용 금속 산화물 선구물질 및 니켈 금속 표면의 가용성 부분을 용해하는 부식제 등으로 구성된 피복용액을 니켈금속층에 도포하고, (2) 피복용 용액중 휘발성 부분을 가열 증발사켜 농축 부식된 니켈금속 표면상에 금속 산화물 선구물질을 침착시켜며, (3) 공기로 가열하고, (4) 이와 같이 만들어진 전극 재료를 냉각시키는 방법에 의해 제조된다. 이러한 방법으로 만든 불균질 금속 산화물 피복의 두께를 증대시키려면 제2피복 및 이후의 피복시에는 초기 피복시에 사용한 것과 동일한 부식제를 사용하는 것도 좋고 다른 부식제를 사용하는 것도 좋다. 위에서 설명한 것과 동일한 방법으로 추가 피복을 입힐 수 있다. 이와 같은 방법으로, 니켈산화물과 백금족 금속 산화물로 이로어지는 변성용 금속산화물도 포함하는 불균질 금속 산화물 막이 단단히 부착된 니켈 금속층으로 된 전극 재료가 제조된다. 백금족 금속 산화물은 산화루테늄이 좋다. 임의 변성용금속 산화물은 산화지르코늄이 좋다. 니켈 금속층의 경제적 형태는 강철이나 철합금과 같은 값싼 전도성 기판에 타켈금속을 용차시킨 것이다. 이러한 전극재료는 클로르 알칼리 전해조의 음극용으로 특히 유용하다.In a preferred embodiment of the present invention, the electrode material comprises a heterogeneous metal oxide coating comprising nickel oxide and a platinum group metal oxide (containing any metal oxide, for example ZrO 2 ), in the following manner: The nickel layer may be formed on the conductive substrate. That is, a coating solution composed of (1) a nickel oxide precursor, a platinum group metal oxide precursor, an optionally modified metal oxide precursor, and a caustic to dissolve the soluble portion of the nickel metal surface is applied to the nickel metal layer, and (2) By evaporating the volatile portion of the dosing solution to deposit a metal oxide precursor on the concentrated corroded nickel metal surface, (3) heating with air, and (4) cooling the electrode material thus made. . In order to increase the thickness of the heterogeneous metal oxide coating made in this way, the second and subsequent coatings may use the same caustic used as the initial coating or may use other caustic agents. Additional coating may be applied in the same manner as described above. In this manner, an electrode material is made of a nickel metal layer firmly attached to an inhomogeneous metal oxide film including a metal oxide for modification that leads to nickel oxide and a platinum group metal oxide. The platinum group metal oxide is preferably ruthenium oxide. The zirconium oxide is preferably used for the optionally modified metal oxide. The economic form of the nickel metal layer is the leaching of the metal to the cheap conductive substrate such as steel or iron alloy. Such an electrode material is particularly useful for the negative electrode of a chlor alkali electrolyzer.

금속을 열산호시키는 온도는 금속에 따라 약간씩 다르나, 통상적으로는 300내지 650℃이고, 바람직하기로는 350내지 550℃이다.The temperature at which the metal is thermally coral-corresponds slightly depending on the metal, but is usually 300 to 650 ° C, preferably 350 to 550 ° C.

본 발명의 목적은 가용 금속의 불균질 산화물로 구성된 견고하게 접착하는 피복을 만드는 것이다.It is an object of the present invention to make a firmly adherent coating composed of heterogeneous oxides of soluble metals.

이전에 용착된 층이나 기판을 화학적 부식법을 사용하여 금속을 가용화시키고 농축시킨 다음에, 이를 그 자리에서 용착시킴으로써, 서로 안정화되고, 전기촉매적으로 보충적인 산화물 혼합체를 만드는 것도 본 발명의 개념 범위내에 해당하는 것이다.It is also within the scope of the present invention to make an oxide mixture that is stabilized and electrocatalytically supplemented by solubilizing and concentrating a previously deposited layer or substrate using a chemical corrosion method and then depositing it in situ. It is a correspondence within.

본 발명을 몇가지 실시예에 의하여 설명하면 다음과 같다.When explaining the present invention by several embodiments are as follows.

[실시예 1]Example 1

용액은 RuCl3·3H2O 1부, NiCl2·6H2O 1부, H2NNH3·H3SO4(히드라진 하이드로 설페이트)3.3부, H2O 5부 및 이소프로판을 28부로 만들었다. 용액은 먼저 이소프로판올을 제외한 모든 구성분들을 한데 혼합하여 하루밤 동안 교반한 다음에, 이소프로판올을 첨가하고, 약 6시간 동안 계속하여 혼합하였다.The solution consisted of 1 part of RuCl 3 · 3H 2 O, 1 part of NiCl 2 · 6H 2 O, 3.3 parts of H 2 NNH 3 · H 3 SO 4 (hydrazine hydrosulfate), 5 parts of H 2 O and 28 parts of isopropane. The solution was first mixed with all components except isopropanol and stirred for one night, then isopropanol was added and mixing continued for about 6 hours.

음극은 니켈팽창매시 40%로 만들었다. 음극은 먼저 모래분사후, 1 : 1 HCl로 부식시켰다. 그 다음에, 깨끗이 세척하고, 이소프로판을 속에 담근후, 공기속에서 건조시켰다. 음극은 피복용 용액속에 담근후, 공기속에서 건조시킨 다음에, 375℃의 오븐속에 넣고 20분간 구워서 피복하였다. 동일한 방법으로 피복을 6회 입혔다. 음극을 NaOH가 35% 들어있는 90℃의 가열 배드속에 침지시키고, 전류를 통하게 하고, 표준 칼로멜비교 전극(SCE)과 루긴탐침(Luggin pro be)을 이용하여 전위를 측정하였다. 평방인치당 2 amp의 전극밀도(0.31 amp/㎠)에 있어서 SCE에 대하여 음극전위는 -1145mV로 측정되었다. 음극을 실험용막 염소 전해조속에 조립하고, 90℃의 온도에서, 31내지 33%의 NaOH 농도로 0.31 amp/㎠의 동작 전류밀도로 작동시킨 결과, 양극에서 H2를 음극에서 Cl2를 생성하였다. 음극의 전위는 매주 평균 산출하였다. 그 결과는 표1과 같다.The negative electrode was made 40% in the nickel expansion mesh. The cathode was first sprayed with sand and then corroded with 1: 1 HCl. Then it was washed thoroughly, soaked in isopropane and dried in air. The negative electrode was immersed in a coating solution, dried in air, then placed in an oven at 375 ° C. and baked for 20 minutes. The coating was applied six times in the same manner. The negative electrode was immersed in a heating bath at 90 ° C. containing 35% NaOH, passed through a current, and the potential was measured using a standard caramel comparison electrode (SCE) and a lugin probe (Luggin pro be). The cathode potential was measured at -1145 mV for SCE at an electrode density of 2 amps per square inch (0.31 amps / cm 2). The negative electrode was assembled into an experimental membrane chlorine electrolyzer, and operated at an operating current density of 0.31 amp / cm 2 at a NaOH concentration of 31 to 33% at a temperature of 90 ° C., resulting in H 2 at the positive electrode and Cl 2 at the negative electrode. The potential of the negative electrode was averaged weekly. The results are shown in Table 1.

[실시예 2]Example 2

RuCl3, 3H2O 1부 , NiCl2.RuCl 3 , 3H 2 O 1 part, NiCl 2 .

6H2O 1부 및 농축 HCl 3.3부로 구성된 용액을 만들었다. 이 용액을 하루밤 동안 혼합시킨 다음에 이소프로판올올 33부를 첨가하고, 2시간 동안 계속하여 혼합하였다. 음극은 실시예 1의 절차에 따라 준비하였다. 음극을 실시예 1과 동일한 방법으로 피복시키되, 495내지 500℃의 온도에서 소성시켰다. 피복을 10회 형성하였다. 음극 전위는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 측정하였다. 전위는 SCE에 대하여 -1135mV였다. 나피온(NAFION) 중합체막이 들어있는 실험용 전해조속에 음극을 조립하고, 90℃, 31내지 33%의 NaOH, 0.31amp/㎠의 전류 밀도에서 전해조를 작동시켰다. 음극 전위는 매주 평균하였으며 그 결과는 표 1과 같다.A solution consisting of 1 part 6H 2 O and 3.3 parts concentrated HCl was made. The solution was mixed overnight and then 33 parts of isopropanolol were added and mixing continued for 2 hours. The negative electrode was prepared according to the procedure of Example 1. The negative electrode was coated in the same manner as in Example 1, but fired at a temperature of 495 to 500 ° C. The coating was formed ten times. The negative electrode potential was measured in the same manner as in Example 1. The potential was -1135 mV relative to SCE. The negative electrode was assembled into a laboratory electrolyzer containing a Nafion polymer membrane, and the electrolyzer was operated at 90 ° C., 31 to 33% NaOH, and a current density of 0.31 amp / cm 2. Cathode potentials were averaged weekly and the results are shown in Table 1.

[실시예 3]Example 3

NH2OH·HCl 1부, 농축 HCl 5부, 10% H2PtCl66H2O 2부, NiCl26H2O 1부 및 RuCl3·3H2O 1부로 구성된 용액을 준비하였다. 용액을 12시간 도안 혼합한 후, 이소프로판을 75부를 첨가하고, 2시간 동안 계속하여 혼합하였다. 음극은 실시예 1과 동일한 양상으로 준비한 후, 실시예 1의 경우와 동일한 방법으로 피복하되, 소성 온도는 470내지 480℃로 하여 피복을 5회 입혔다. 6회째의 피복을 입힌 다음에, 음극을 470내지 480℃의 온도에서 30분간 소성하였다. 음극의 전위는 실시예 1과 동일한 양상으로 측정되었으며, SCE에 대하여 -1108mV였다. 음극을 실시예 2가 같은 막이 포함된 실험용막염소 전해조 내에 조립하고, 90℃ 31내지 33%의 NaOH, 0.31amp/㎠의 전루밀도에서 전해조를 작동시켰다. 음극의 전위를 매주 평균하였으며, 그 결과는 표1과 같다.A solution consisting of 1 part of NH 2 OH.HCl, 5 parts of concentrated HCl, 2 parts of 10% H 2 PtCl 6 6H 2 O, 1 part of NiCl 2 6H 2 O, and 1 part of RuCl 3 · 3H 2 O was prepared. After the solution was mixed for 12 hours, 75 parts of isopropane were added and mixing continued for 2 hours. The negative electrode was prepared in the same manner as in Example 1, and then coated in the same manner as in Example 1, but the coating was applied five times at a firing temperature of 470 to 480 ° C. After the sixth coating was applied, the cathode was calcined for 30 minutes at a temperature of 470 to 480 占 폚. The potential of the negative electrode was measured in the same manner as in Example 1, and was -1108 mV with respect to SCE. The negative electrode was assembled into an experimental membrane chlorine electrolyzer containing the same membrane as Example 2, and the electrolyzer was operated at an electrolysis density of 0.31 amp / cm < 2 > The potential of the negative electrode was averaged weekly, and the results are shown in Table 1.

[실시예 4]Example 4

RuCl3·3H2O 3부, NiCl26H2O 3부, ZrCl41부, 농축 HCl 5부 및 이소프로판올 42부로 이루어진 용액을 준비하여, 용액을 2시간 동안 혼합하였다. 음극을 실시예 1과 동일한 방법으로 피복하되, 소성온도는 495내지 500℃로 하였다. 8개의 피복을 부착한 후, 9회째 피복을 부착한 다음에, 음극을 470내지 480℃의 온도에서 30분간 소성시켰다. 음극의 전위는 실시예 1에서와 같이 측정하였으며, SCE오 대하여-1146mV였다.실시예 2에서와 같은 막이 들어있는 실험용 막염소 전해조내에 음극을 조립하고, 90℃ 31내지 33%의 NaOH, 0.31amp/㎠의 전류밀도에서 작동시켰다. 음극의 전위는 매우평군하였으며 그 결과는 표1및 제1도에 도시한 바와 같다.A solution consisting of 3 parts of RuCl 3 3H 2 O, 3 parts of NiCl 2 6H 2 O, 1 part of ZrCl 4 , 5 parts of concentrated HCl, and 42 parts of isopropanol was prepared, and the solution was mixed for 2 hours. The negative electrode was coated in the same manner as in Example 1, but the firing temperature was 495 to 500 ° C. After the eight coatings were applied, the ninth coating was applied, and then the negative electrode was baked for 30 minutes at a temperature of 470 to 480 ° C. The potential of the negative electrode was measured as in Example 1, and was -1146 mV with respect to SCE. The negative electrode was assembled into an experimental membrane chlorine electrolyzer containing the same membrane as in Example 2, and the NaOH, 0.31 amp at 31.degree. It was operated at a current density of / cm 2. The potential of the negative electrode was very flat and the results are shown in Table 1 and FIG.

[실시예 5]Example 5

음극을 위의 예들에서와 같이 준비한 다음에 이소프로판올 100ml 속에 테트라이소프로필 티타네이트 1g이 들어있는 용액속에 침지시켰다. 그 다음에, 음극을 475내지 500℃의 온도에서 10분간 소결시켰다. 3회 반복하여 피복을 입혔다. 실시예 2에서와 같이 용액을 만들어 그 용액속에 음극을 침지시킨 후, 공기속에서 건조시키고, 475내지 500℃의 온도에서 소성시켰다. 6 회 반복하여 피복을 입혔다. 음극의 전위는 앞의 예들의 경우와 동일한 방법으로 측정하였으며, 전위는 SCE에 대하여 -1154mV였다.The negative electrode was prepared as in the examples above and then immersed in a solution containing 1 g of tetraisopropyl titanate in 100 ml of isopropanol. The cathode was then sintered for 10 minutes at a temperature of 475-500 ° C. The coating was repeated three times. A solution was prepared as in Example 2, the cathode was immersed in the solution, dried in air, and calcined at a temperature of 475 to 500 ° C. The coating was repeated six times. The potential of the negative electrode was measured in the same manner as in the previous examples, and the potential was -1154 mV with respect to SCE.

실시예 2에서의 동일한 막이 들어있는 실험용 막염소 전해조속에 음극을 조립하고, 90℃ 31내지 33%의 NaOH, 0.31amp/㎠의 전류 밀도에서 작동시켰다. 음극의 전위는 매우 평균하였으며 그 결과는 표 1 및 제1도에 도시한 바와 같다.The negative electrode was assembled into an experimental membrane chlorine electrolyzer containing the same membrane in Example 2 and operated at a current density of 0.31 amp / cm 2 at 90 ° C. 31 to 33%. The potential of the negative electrode was very average and the results are shown in Table 1 and FIG.

[실시예 6] (비교 실시예)Example 6 (Comparative Example)

40%팽창에서 강철 전극을 준비하고, 피복은 하지 아니하였으며, 실시예 2 내지 5와 동일한 유형의 막을 사용한 실험용 전해조속에 음극으로써 조립하였다. 음극의 전위를 매주 평균하였으며, 그 결과는 표 1과 같다.A steel electrode was prepared at 40% expansion, not coated, and assembled as a negative electrode in an experimental electrolyzer using a membrane of the same type as Examples 2-5. The potential of the negative electrode was averaged weekly, and the results are shown in Table 1.

[실시예 7] (비교 실시예)Example 7 (Comparative Example)

40%팽창에서 니켈 전극을 준비하고, 피복을 하지 아니하였으며, 실시예 2 내지 5에서와 동일한 유형의 막을 사용한 실험용 전해조속에 음극으로서 조립하였다. 음극의 전위를 매주 평균하였으며, 그 결과는 표 1 및 제 1도에 도시한 바와 같다.A nickel electrode was prepared at 40% expansion, uncoated, and assembled as a negative electrode in an experimental electrolyzer using a membrane of the same type as in Examples 2-5. The potential of the negative electrode was averaged weekly, and the results are shown in Table 1 and FIG.

[표 1]TABLE 1

전극(1번 내지 7번) 별로 매주 평균한 부전압*Weekly negative voltage by electrode (# 1 to # 7) *

Figure kpo00001
Figure kpo00001

* 표 1에 표시한 전압들은 루긴탐침을 사용하여 동일한 방법으로 측정한 것이기 대물에 이로상의 계산치보다 약간 낮을지라도 서로 관련이 있다. 열역학적 계산에 의한 실제 전압은 온도 90℃, NaOH 31내지 33%·전류밀도 0.31amp/㎠에서 전해조별로 약 -1.093V이어야 한다.* The voltages shown in Table 1 are correlated, although measured slightly in the same way using a lugin probe, although they are slightly lower than the calculated value. The actual voltage by thermodynamic calculation should be about -1.093V for each cell at temperature 90 ℃, 31 ~ 33% NaOH, 0.31 amp / cm2 of current density.

[실시예 8]Example 8

전해조의 음극액실과 양극액실을 대기압으로 유지시키면서, 온도 90℃, NaOH 31내지 33%·전류밀도 0.31amp/㎠에서 실시예 2내지 7의 전해조를 작동시켰다. 양극액 농도를 NaCl 180내지 200g/l 및 NaOH 31내지 33%로 유지하기 위하여 염화나트륨과 물을 각각 음극액실과 양극액실에 공급하였다. 음극으로부터의 수소와 양극으로 부터의 염소 가스의 발생에 의해 가스의 자연 상승에 의해 전해조의 내부 혼합이 수행되었다. 물질과 에너지 평형을 포함한 데이타를 전해조의 동작기간중 주기적으로 수집하고, NaOH를 발생시키기 위한 에너지 소요량을 계산하였으며, 그 결과는 표 2와 같다.The electrolyzers of Examples 2 to 7 were operated at a temperature of 90 ° C. and NaOH 31 to 33% and a current density of 0.31 amp / cm 2 while maintaining the catholyte chamber and the anolyte chamber of the electrolyzer at atmospheric pressure. Sodium chloride and water were supplied to the catholyte chamber and the anolyte chamber, respectively, to maintain the anolyte concentration at NaCl 180 to 200 g / l and NaOH 31 to 33%. Internal mixing of the electrolyzer was performed by spontaneous rise of the gas by generation of hydrogen from the cathode and chlorine gas from the anode. Data including material and energy balance were collected periodically during the operation of the electrolyzer, and energy requirements for generating NaOH were calculated. The results are shown in Table 2.

[표 2]TABLE 2

Figure kpo00002
Figure kpo00002

[실시예 9]Example 9

대규모 실험에 있어서, 2개조의 압력 막 염소 전해조를 구성하였다. 전해조의 구성과 설계는 동일하되, 시리즈 1은 전해조의 음극액실내에 니켈벽 음극실과 니켈전극을설치하고, 시리즈 2는 강철벽 음극실과 강철 음극으로 구성하였다. 시리즈 1의 전극은 본 발명에 의한 방법에 따라 피복하였으나, 시리즈 2의 전극은 피복하지 아니하였다. 양 시리즈는 실시예 2에서와 같은 양이온 교환막을 설치하였다. 2개의 시리즈를 온도 90℃, 전류밀도 0.31amp/㎠, NaOH 31내지 33%의 음극액실 내에서 동시에 작동시켰다. 이 시리즈는 원심분리기로 양극애과 음극액을 전해조에 순환시키면서 101.325내지 202.650 Pa(1 내지 2 기압)의 압력으로 작동시켰다. 음극액 대 양극액의 유동비는 1이상으로 유지시켰다. 45일각네 걸쳐 에너지와물질 평형 데이타를 수집하고, 평균성능치를 계산하였다. 그 결과는 본 발명의 전극(시리즈 1)을 사용하면 시리즈 2에 비하여 평균적으로 5% 이상의 에너지 절약을 달성할 수 있음을 알 수 있다.For large scale experiments, two sets of pressure membrane chlorine electrolyzers were constructed. The configuration and design of the electrolyzer were the same, but series 1 consisted of nickel wall cathode chamber and nickel electrode in catholyte chamber of electrolyzer, and series 2 consisted of steel wall cathode chamber and steel cathode. The electrodes of series 1 were coated according to the method according to the invention, but the electrodes of series 2 were not coated. Both series were equipped with the same cation exchange membrane as in Example 2. The two series were operated simultaneously in a catholyte chamber with a temperature of 90 ° C., a current density of 0.31 amp / cm 2, and NaOH 31 to 33%. The series was operated at a pressure of 101.325 to 202.650 Pa (1 to 2 atmospheres) while circulating the anode and catholytes through the centrifuge in an electrolytic cell. The flow ratio of catholyte to anolyte was maintained at 1 or more. Energy and material equilibrium data were collected over 45 days and the mean performance values were calculated. As a result, it can be seen that the use of the electrode (series 1) of the present invention can achieve an energy saving of 5% or more on average compared to series 2.

고압 및 저압에서 작동된 전해조에서 본 발명의 신규의 전극을 사용하는 것도 본 발명의 범위내에 속한다. 이 전극은 특히 85내지 105℃의 고온에서 사용하기에도 적합하다. 클로르 알칼리 진해에서 통상적으로로 10.325 Pa (1 기압)정도의 압력을 사용하지만, 약 303.975 Pa (3 기압) 이상의 압력도 사용할 수 있다.It is also within the scope of the present invention to use the novel electrodes of the present invention in electrolyzers operated at high and low pressures. This electrode is also particularly suitable for use at high temperatures of 85 to 105 ° C. In chlor-alkali thickening, pressures of about 10.325 Pa (1 atm) are typically used, but pressures above about 303.975 Pa (3 atm) can also be used.

본 발명의 전극은 전해액실 내의 순환이 전해액실 내의 발생 가스의 상승 운동(이동)에 의해 야기되는 전해조에 사용하기 편리하지만, 전해조에서 전해조로 전해액이 유동되는 어떤 종류의 전해조에 있어서는 가스 상승 운동의 보조 또는 대체로서 다른 펌프 순환 방법으로 된다. 어떤 경우에는 펌프로 퍼내는 양극액의 양에 대한 음극액의 양의 비를 1이상으로 유지하는 것이 바람직하다.The electrode of the present invention is convenient to use in an electrolytic cell in which circulation in the electrolyte chamber is caused by an upward movement (movement) of generated gas in the electrolyte chamber, but in some types of electrolyzers in which electrolyte flows from the electrolytic cell to the electrolytic cell, As an alternative or alternative, there are other pump circulation methods. In some cases, it is desirable to maintain the ratio of the amount of catholyte to at least one relative to the amount of anolyte pumped out.

본 발명의 전극은 양극액에 HCl과 같은 산을 첨가하는 경우와 같이, 양극액의 pH가 1 내지 5의 범위로 유지되거나 조절되는 양극액을 갖는 클로르 알칼리 전해조에 유용하다.The electrode of the present invention is useful for chlor-alkali electrolysers having an anolyte with which the pH of the anolyte is maintained or controlled in the range of 1 to 5, such as when an acid such as HCl is added to the anolyte.

Claims (15)

전기 화학 전해조용 전극 제조방법에 있어서,In the electrode manufacturing method for an electrochemical electrolytic cell, 금속 산화물 선구물질 화합물의 피복용애과, 기판 또는 다른 사전에 입혀진 피복의 표면을 부식시킬 수 있는 부식제를 전도성 기판에 입히는 단계와,Coating the conductive substrate with a coating solvent of the metal oxide precursor compound, a corrosive agent that can corrode the surface of the substrate or other pre-coated coating, 피복된 기판으로 부터 휘발성분을 제거하여, 선구물질 화합물의 금속 침전물 및 기판 또는 사전에 입혀진 피복으로 부터의 부식물이 농축되어, 기판 또는 사전에 입혀진 피복위에 재피복되도록 가열하는 단계와,Removing the volatiles from the coated substrate, concentrating the metal precipitates of the precursor compound and the corrosive from the substrate or the precoated coating, heating them to recoat over the substrate or the precoated coating, 산소, 공기 또는 산화제속에서 금속 산화시키기에 충분할 정도의 온도로 더 가열하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극 제조방법.A method of producing an electrode for an electrochemical electrolyzer, characterized by further heating to a temperature sufficient to oxidize the metal in oxygen, air or oxidant. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 금속 산화물 선구물질 화합물은 금속 염화물, 질산염, 황산염 및 인산염으로 선택된다는 것을 특징으로하는 전기 화학 전해조용 전극 제조방법.A metal oxide precursor compound is selected from metal chlorides, nitrates, sulfates and phosphates. 제1 또는 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 금속 선구물질 화합물은 Ru·Rh·Pd·Os·Ir및·Pt에서 선택된 적어도 하나의 금속 화합물과 Ni·CO·Fe·Cu·W·V·Mn·Mo·Nb·Ta·Ti ·Zr·Cd·Cr·B·Sn·La 및 Si에서 선택된 적어도 하나의 금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극 제조방법.The metal precursor compound includes at least one metal compound selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt, and Ni, CO, Fe, Cu, W, V, Mn, Mo, Nb, Ta, Ti, Zr, An electrode manufacturing method for an electrochemical electrolyzer, comprising at least one metal compound selected from Cd, Cr, B, Sn, La, and Si. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 부식제는 염산,황산, 질산, 인산 및 히드라진 하이드로 설페이트에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전기화학 전해조용 전극 제조방법.The caustic is selected from hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, phosphoric acid and hydrazine hydrosulfate. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 피복 절차는 적어도 1회 반복되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극 제조방법.The coating procedure is repeated at least once. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 금속 침전물의 산화가 실행되는 온도는 300℃에서 600℃의 범위에 있고, 기판의 가열시간은 5내지 60분 동안인 것을 특징으로 하는 전기 화학전해조용 전극 제조방법.The temperature at which oxidation of the metal precipitate is carried out is in the range of 300 ℃ to 600 ℃, the heating time of the substrate is 5 to 60 minutes, the electrode manufacturing method for the electrochemical electrolytic bath. 전도성 금속 기판과 기판에 단단히 입혀진 전기촉매식 환성 피복으로 이루어진 층을 포함하는 전기 화학 전해조용 전극에 있어서,An electrochemical electrolytic cell electrode comprising a layer comprising a conductive metal substrate and an electrocatalytic cyclic coating firmly coated on the substrate, 상기 피복은 NiO와 ㄹ백금족 금속 산화물의 불균질 금속 산화물 피복인 것을 특징으로 하는 전기화학 전해조용 전극.And the coating is a heterogeneous metal oxide coating of NiO and d platinum group metal oxides. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 백금족 금속 산화물은 Ru·Rh·Pd·OS·Ir 및 Pt 중에서 금속의 적어도 하나의 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.The platinum group metal oxide is at least one metal oxide of a metal among Ru, Rh, Pd, OS, Ir and Pt. 제7 또는 8하에 있어서,Under the seventh or eighth, 백금족 금속 산화물은 RuO2인 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.Platinum group metal oxide is RuO 2 electrode for an electrochemical electrolytic cell. 제7 또는 8항에 있어서,The method of claim 7 or 8, 불균질 금속 산화물 피복은 변성용 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.An electrode for an electrochemical electrolytic cell, wherein the heterogeneous metal oxide coating is a metal oxide for modification. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 불균질 금속 산화물 피복은 변성용 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.An electrode for an electrochemical electrolytic cell, wherein the heterogeneous metal oxide coating is a metal oxide for modification. 제7 또는 8항에 있어서,The method of claim 7 or 8, 불균질 금속 산화물 피복은 변성용 금속 산화물과 함께 주로 RuO2및 NiO를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.An electrode for an electrochemical electrolytic cell, characterized in that the heterogeneous metal oxide coating mainly comprises RuO 2 and NiO together with the metal oxide for modification. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 전도성 금속 기판은 니켈 또는 니켈합금인 것을 특징으로 하는 전기화학 전해조용 전극.Electroconductive electrolytic cell electrode, characterized in that the conductive metal substrate is nickel or nickel alloy. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 전도성 금속 기판과 불균질 금속 산화물 피복사이에 니켈층을 구비하는 것을 특징으로 하는 전기화학 전해조용 전극.An electrochemical electrolytic cell electrode comprising a nickel layer between a conductive metal substrate and a heterogeneous metal oxide coating. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 전극은 클로르 알칼리 전해조용 저수소 과전압 음극인 것을 특징으로 하는 전기 화학 전해조용 전극.The electrode is an electrochemical electrolytic cell electrode, characterized in that the low hydrogen overvoltage cathode for chlor alkali electrolytic cell.
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