WO2005116298A1 - Diamantelektrode auf kunststoffbasis - Google Patents

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WO2005116298A1
WO2005116298A1 PCT/AT2005/000175 AT2005000175W WO2005116298A1 WO 2005116298 A1 WO2005116298 A1 WO 2005116298A1 AT 2005000175 W AT2005000175 W AT 2005000175W WO 2005116298 A1 WO2005116298 A1 WO 2005116298A1
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Karl Gruber
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Echem Kompetenzzentrum für angewandte Elektrochemie GmbH
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
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    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
    • C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
    • C25B11/091—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds
    • C25B11/095—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of at least one catalytic element and at least one catalytic compound; consisting of two or more catalytic elements or catalytic compounds at least one of the compounds being organic

Definitions

  • the application relates to an electrode based on plastic, which contains conductive diamonds at least on its surface.
  • Intrinsic conductivity for example, polypyrrole or polyacetylene.
  • such electrodes generally have only a low resistance.
  • Conductive plastics are often made by adding conductive substances such as carbon
  • conductive diamonds are usually
  • Diamond electrodes therefore have an electrochemical window that goes far beyond the decomposition voltage of water, i.e. above 1.23V.
  • diamond electrodes can be used for a variety of electrode reactions
  • Hydrogen electrode or more positive than the potential of the reversible oxygen electrode Hydrogen electrode or more positive than the potential of the reversible oxygen electrode.
  • Negative electrode potentials o Separation of base metals o Separation of heavy metals from highly diluted solutions (e.g. waste water, sludges etc.) o General electrochemical reduction anorg. or organic compounds
  • diamond electrodes are mainly produced by CVD coating of metallic or semiconducting substrates with synthetic diamond and subsequent doping with boron.
  • these coatings have various technical disadvantages.
  • such layers tend to form cracks, as a result of which the exposed substrate material is exposed to the attack, possibly under attack, from very corrosive solutions and positive electrode potentials.
  • many metallic substrates cause an undesirable reaction of the carbon with the metal to form metal carbides.
  • the electrode according to the invention is preferably made of non-conductive plastics such as
  • Metal oxides such as PbO 2 , MnO 2 etc., and on the other hand produced by adding conductive diamond.
  • the electrodes can preferably be used in a bipolar arrangement.
  • the electrodes are to be designed in a multilayer structure with a metallic core or as metal collectors coated on one side with conductive plastic.
  • Diamond can be added both in the entire volume of the electrode material with or without the addition of other conductive components (e.g. carbon black), or only in layers or films with a conductive core near the surface on both sides:
  • This core can be made of metal as well as of conductive plastic with little or no
  • Diamond content can be formed.
  • the electrodes according to the invention have decisive advantages over previous diamond electrodes: • Mechanical stability and flexibility • Corrosion resistance • Non-conductive plastic parts are electrochemically inactive, i.e. no narrowing of the electrochemical window • low weight • cost advantages (material, manufacturing process)

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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft Diamant-Elektroden auf Kunststoffbasis für elektrochemische Anwendungen und deren Herstellung. Die Elektroden weisen zumindest an der Oberfläche eine Schicht aus synthetisch hergestellten, leitfähigen (dotierten) Diamanten auf. Der Kunststoffgrundkörper ist prinzipiell nichtleitend, kann aber durch Zumischen von leitfähigen Bestandteilen wie Kohlenstoff, halbleitenden Metalloxiden oder leitfähigem Diamant elektrisch leitfähig gemacht werden.

Description

Diamantelektrode auf Kunststoffbasis
Beschreibung:
Gegenstand der Anmeldung ist eine Elektrode auf Basis von Kunststoff, die zumindest an ihrer Oberfläche leitfähige Diamanten enthält.
Die Herstellung von Elektroden aus leitfähigen Kunststoffen ist seit langer Zeit Stand der
Technik. Derartige Elektroden werden zum Teil aus Kunststoffen mit elektronischer
Eigenleitfähigkeit beispielsweise Polypyrrol oder Polyacetylen hergestellt. Solche Elektroden weisen aber im Allgemeinen nur eine geringe Beständigkeit auf.
Leitfahige Kunststoffe werden vielfach durch Zumischung leitfähiger Stoffe wie Kohlenstoff
(Ruß,Graphit), Metallpartikel oder Metalloxide hergestellt.
Leitfähige Diamanten werden nach heutigem Stand der Technik üblicherweise durch
Dotierung von synthetischen Diamanten hergestellt.
Diamantschichten mit elektronisch halbleitenden Eigenschaften weisen in elektrochemischen
Zellen zum Teil hohe Reaktionshemmungen, sogenannte Überspannungen, für eine Reihe elektrochemischer Reaktionen auf, während andere Reaktionen an Diamantelektroden mit geringen Hemmungen ablaufen.
Insbesondere die Zersetzungsreaktionen von Wasser, also die kathodische Abscheidung von
Wasserstoff sowie die anodische Entwicklung von Sauerstoff laufen an solchen Elektroden mit hoher Überspannung ab. Diamantelektroden weisen daher ein elektrochemisches Fenster auf, das weit über die Zersetzungsspannung von Wasser, also über 1.23V hinausgeht.
Demgemäß können Diamantelektroden für eine Vielzahl von Elektrodenreaktionen
Anwendung finden, deren reversible Potentiale für negativer als das Pot. der rev.
Wasserstoffelektrode bzw. positiver als das Potential der reversiblen Sauerstoffelektrode liegen.
Beispiele für solche Reaktionen sind: • Negative Elektrodenpotentiale: o Abscheidung von unedlen Metallen o Abscheidung von Schwermetallen aus stark verdünnten Lösungen (z.B. Abwässern, Schlämmen etc.) o Allgemein elektrochemische Reduktion anorg. oder organischer Verbindungen
• Positive Elektrodenpotentiale: o Oxidativer Abbau organischer Verunreinigungen o Elektrodenreaktionen am Pluspol von elektrochemischen Energiewandlern, insbes. bei der Aufladung von Akkumulatoren, z.B. Zn-Halogen-, Vanadium- Redox- sowie Blei-Lösungsakkumulatoren o Allgemein elektrochemische Oxidation anorganischer oder organischer Verbindungen o Herstellung oder Reduktion von Halogenen, Ozon und Peroxoverbindungen
Nach heutigem Stand der Technik werden Diamantelektroden vorwiegend durch CVD- Beschichtung metallischer oder halbleitender Substrate mit synthetischem Diamant und anschließender Dotierung mit Bor hergestellt.
Diese Beschichtungen weisen neben den hohen Herstellungskosten verschiedene technische Nachteile auf. Insbesondere neigen solche Schichten zu Rißbildung, wodurch das freigelegte Substratmaterial ungeschützt dem Angriff u.U. sehr korrosiver Lösungen und positiven Elektrodenpotentialen ausgesetzt ist. Andererseits kommt es bei vielen metallischen Substraten zu einer unerwünschten Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Metall unter Bildung von Metallkarbiden.
Daneben stellt die gleichzeitige Entstehung von graphitischem Kohlenstoff ein weiteres
Problem dieser Herstellungsmethode dar.
Die erfindungsgemäße Elektrode wird vorzugsweise aus nichtleitfähigen Kunststoffen wie
Polyolefinen sowie halogenierten Polymeren wie Teflon, Viton u.a. einerseits durch
Zumischen von leitfähigen Partikeln, insbesondere von Kohlenstoff oder halbleitenden
Metalloxiden wie PbO2, MnO2 etc., sowie andererseits durch Zusatz von leitfahigem Diamant hergestellt.
Als Herstellungsverfahren kommen etablierte Verfahren der Kunststofftechnik, insbesondere
Spritzguss, Extrusion sowie Press- und Walzvorgänge in Betracht.
Wegen der geringeren Leitfähigkeit von Kunststoffelektroden sind derartige Elektroden bevorzugt in bipolarer Anordnung verwendbar. Für monopolare Schaltung sowie für die endständigen Stromkollektoren in bipolarer Anordnung sind die Elektroden in einem mehrschichtigen Aufbau mit metallischem Kern bzw. als einseitig mit leitfahigem Kunststoff beschichtete Metallkollektoren auszubilden.
Der Zusatz von Diamant kann sowohl im gesamten Volumen des Elektrodenmaterials mit oder ohne Zusatz anderer leitfähiger Komponenten (z.B. Ruß) erfolgen, als auch nur in beidseitig oberflächennahen Schichten bzw. Filmen mit einem leitfahigen Kern: Dieser Kern kann sowohl aus Metall wie auch aus leitfahigem Kunststoff mit geringem bzw. fehlendem
Diamantgehalt gebildet werden.
Die erfindungsgemäßen Elektroden weisen gegenüber bisherigen Diamantelektroden entscheidende Vorteile auf: • Mechanische Stabilität und Flexibilität • Korrosionsbeständigkeit • Nichtleitende Kunststoffanteile verhalten sich elektrochemisch inaktiv, d.h. keine Einengung des elektrochemischen Fensters • geringes Gewicht • Kostenvorteile (Material, Herstellungsverfahren)

Claims

Patentansprüche:
1. Eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen auf Kunststoffbasis dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial elektrisch leitfahige Diamanten enthält.
2. Eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff aus einem nichtleitfahigen Material wie Polyolefinen insbesondere Polypropylen und Polyethylen sowie halogenierten Polymeren besteht.
3. Eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff durch Zumischen von leitfahigen Partikeln insbesondere von Kohlenstoff in Form von Graphit, Kohlefasern, Carbon-Nanotubes, Ruß o.a., Metallpartikel oder halbleitenden Metalloxiden wie PbO2, MnO2 etc., in leitfähiger Form hergestellt wird.
4. Eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, daß synthetisch hergestellter, leitfähiger Diamant im gesamten Volumen des Elektrodenmaterials mit oder ohne Zusatz anderer leitfähiger Komponenten vorliegt.
5. Eine Elektrode für elektrochemische Anwendungen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode einen leitfahigen Kern aufweist der sowohl aus Metall , Carbonfasern, Graphit, wie auch aus leitfähigem Kunststoff mit geringem bzw. fehlendem Diamantgehalt gebildet werden kann.
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