WO2024227775A1 - Herstellung einer stabilen aktivierten nickeloxidhydroxid-schaum-elektrode - Google Patents

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Siegfried R. Waldvogel
Roland J.-R. BEDNARZ
Frank Weinelt
Ernst Roemer
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Evonik Operations GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method with which metal electrodes and metal foam electrodes, in particular nickel electrodes and especially nickel foam electrodes, can be electrochemically activated.
  • the invention further relates to metal electrodes and metal foam electrodes, in particular nickel electrodes and especially nickel foam electrodes, which were obtained by the method for electrochemical activation.
  • the invention relates to the use of the metal electrodes and metal foam electrodes electrochemically activated by the method according to the invention, in particular nickel electrodes and especially nickel foam electrodes, in electrochemical reactions, electrolysis of organic compounds, catalysis of organochemical reactions and water electrolysis.
  • Metal electrodes and metal foam electrodes, especially nickel electrodes and especially nickel foam electrodes, are in great demand in a wide range of applications due to their high porosity, conductivity, mechanical stability and chemical resistance.
  • the disadvantage of this known activation method is the low reproducibility, especially for cleaned nickel foam electrodes.
  • the conventional activation method does not reproducibly produce stable nickel oxyhydroxides, especially for nickel foam electrodes that are cleaned after electrochemical oxidation.
  • pole changer is required. This significantly increases the complexity of the electronic periphery of the usual galvanostatic setup.
  • two nickel electrodes are required, although only one is used for the subsequent electrochemical reaction. Half of the deposited nickel species is therefore on an electrode that will not be used in the reaction, since only the last anodically polarized electrode has an outer NiO(OH) layer.
  • the present invention relates to a method for the electrochemical activation of metal electrodes comprising the steps
  • the metal electrode Reversing the polarity of the metal electrode to form an outer metal oxyhydroxide layer, wherein the metal electrode has 0 to 100 wt.% nickel and 100 to 0 wt.% cobalt, each based on the total content of nickel and cobalt in the electrode, or 10 to 100 wt.% nickel and 0 to 90 wt.% iron, each based on the total content of nickel and iron in the electrode, wherein the metal electrode has a content of other metals equal to or less than 10 wt.%, each based on the total metal content.
  • the method according to the invention enables the efficient activation of a single metal electrode, in particular a nickel electrode or nickel foam electrode, undivided and in direct current, without requiring a polarity reversal of two metal electrodes, in particular two nickel electrodes.
  • a pole changer is not required when using the method according to the invention, so that the structure of the system is simplified.
  • the method according to the invention enables a reproducible activation of metal foam electrodes, in particular nickel foam electrodes, after their use in electroorganic oxidations. Cleaning foam electrodes is more difficult than plate electrodes, which is why the previous method seemed less suitable for their activation. These cannot be easily polished, as is the case with plate electrodes.
  • the method claimed according to the invention thus offers very good access to electrochemically activated nickel surfaces, with increased reproducibility when using cleaned nickel foams or nickel foam electrodes.
  • the method according to the invention enables the reproducible electrochemical activation of (cleaned) nickel foams and nickel plate electrodes. Depending on the extent of the contamination, this can extend the service life of the electrodes.
  • Activated nickel foams are essential for the successful electrochemical oxidation of many substances, including (a)cyclic alcohols and ketones (H.-J. Schulfer, Electrochemistry I, Top. Curr. Chem. 1987, 142, 101-129).
  • the present invention therefore allows a flexible and simplified method of activating nickel foams.
  • a further advantage of the process according to the invention is that only very small volumes of a base are required to wet the metal electrode, in particular the nickel electrode, and the base used can also be used continuously for this purpose. Further advantages include the flexibility in using different activation solutions, the suitability of the reaction conditions for industrially relevant scaling of the electrochemical activation and the possibility of using the large activated nickel surface for various applications, such as in catalysis or electrolysis/battery technology.
  • the method according to the invention also enables the use of used nickel foams for electroorganic oxidation on activated nickel surfaces.
  • the electrochemical activation in direct current enables controlled, rapid activation and avoids the deposited nickel residues on the second electrode.
  • Figure 1 shows on the left a scanning electron microscope (SEM) image of the activated nickel oxyhydroxide surface using the conventional activation method (taken from G. W. D. Briggs, E. Jones, W.
  • SEM scanning electron microscope
  • the conventional activation method therefore did not reproducibly produce stable nickel oxyhydroxides in nickel foams that were cleaned after electrochemical oxidation. This was evident from a purely visual appearance, as there was no black coloration.
  • Figure 2 illustrates a flow electrolysis cell for carrying out a process using an electrochemically activated metal electrode according to the present invention.
  • Figure 3 shows a graphical evaluation of the parameter results with a plot corresponding to the qNMR yields of 3-ethyladipic acid after the electrochemical oxidation of 4-ethylcyclohexanol using an electrochemically activated metal electrode according to the present invention.
  • Figures 4 and 5 illustrate the qNMR yield change of 3-propyladipic acid without and with addition of 4-propylcyclohexanone over the course of the applied charge using an electrochemically activated metal electrode according to the present invention.
  • Bringing the metal electrode into contact with base has a dual function: on the one hand, it cleans the surface and, on the other hand, it accelerates the rapid formation of a metal oxyhydroxide layer, in particular a nickel oxyhydroxide layer, on the surface.
  • Ni(O)OH nickel oxyhydroxide anode
  • the content of other metals in the metal electrode is preferably equal to or less than 5 wt. %, most preferably equal to or less than 2 wt. %, and even more preferably equal to or less than 1 wt. %, in each case based on the total metal content.
  • the metal electrode contains at most up to 1 wt.% each, particularly preferably at most up to 0.1 wt.% each and even more preferably at most 0.01 wt.% each of V, Wo and Mo. It should be noted that these metals are subject to corrosion, particularly in alkaline-aqueous emulsions.
  • metal electrodes which contain at least 80% by weight, preferably at least 90% by weight, particularly preferably at least 95% by weight, of nickel, in each case based on the total weight of the metals in the electrode.
  • the metals in nickel and/or cobalt and optionally iron can be present in the metal electrode on a substrate, wherein the substrate is in particular at least one material selected from the group consisting of steel, copper, titanium and carbon, preferably graphite.
  • the metal electrode can preferably be doped with at least one element of the 5th and/or 6th main group, particularly preferably with one or more elements, preferably an element which is/are selected from the group consisting of phosphorus, arsenic, selenium and sulfur.
  • the doping content information refers to the elemental state of the doping relative to the mass of the metal of the electrode.
  • the metal electrode is doped with phosphorus, it can preferably contain 2 to 10 wt.% phosphorus, particularly preferably 3 to 9 wt.% and very particularly preferably 4 to 9 wt.%, with phosphorus being considered as an element in each case and related to the metal mass of the electrode.
  • the determination of the phosphorus doping content can preferably be carried out according to DIN EN ISO 5427, Appendix D.1
  • the metal electrode has a thickness of several millimeters, more preferably more than 3 mm, further more preferably more than 5 mm and particularly preferably equal to or thicker than 6 mm.
  • a Ni(O)OH foam electrode is used as the metal electrode, which preferably contains at least 80% by weight, particularly preferably at least 85, 90, 95, 98 or 99% by weight, very particularly preferably at least 99.9, and even more more preferably contains at least 99.99 wt.% nickel, in each case based on the metal content of the Ni(O)OH foam electrode.
  • the metal electrode is pretreated by bringing it into contact with base, preferably at least one inorganic base and/or at least one organic base.
  • one or more bases preferably one base, independently selected from the group consisting of N(R A )4OH, N(R A )4acetate, where R A is each independently H or Ci-4-alkyl I, linear or branched, NaOH, sodium acetate, KOH, potassium acetate, LiOH, lithium acetate, Na2CO3, K2CO3 and U2CO3 are used, particularly preferably selected from the group consisting of NaOH and KOH.
  • the base is preferably used in aqueous solution in the contacting step, the concentration of the base preferably being 10 mM to 10 M, particularly preferably 0.2 to 5 M, very particularly preferably 0.5 to 1.5 M and even more preferably 1 ⁇ 0.1 M.
  • Bringing the metal electrode into contact with the base can be done in particular by spraying, immersion, jet or flow.
  • the metal electrode and the base can be brought into contact with one another over a wider temperature range.
  • the metal electrode is preferably brought into contact with the base at a temperature of 10 to 40°C, particularly preferably at 18 to 27°C.
  • the electrochemical activation of the metal electrode can advantageously be carried out, wherein one or more salts of nickel and/or cobalt and optionally iron are particularly suitable for this step.
  • salts of nickel or cobalt are used, the salts selected from the group consisting of Ni2SO4 and CoSO4 are particularly suitable.
  • the salt or salts may preferably be present in aqueous basic solution, preferably in a concentration of 0.05 to 0.15 M.
  • one or more bases are used which are independently selected from the group consisting of N(R A )4OH, N(R A )4acetate, where R A is each independently H or C 1-4 alkyl, linear or branched, NaOH, sodium acetate, KOH, potassium acetate, LiOH, lithium acetate, Na2CO3, K2CO3 and U2CO3, particularly preferably selected from the group consisting of NaOH and KOH.
  • the concentration of the base during the electrochemical activation of the metal electrode is preferably 10 mM to 10 M, preferably 0.2 to 5 M, particularly preferably 0.5 to 1.5 M, most preferably 1 ⁇ 0.1 M.
  • the activation of the metal electrode occurs at a charge of 2 to 10 coulombs, preferably 5 to 7 coulombs.
  • the activation of the electrochemical metal electrode can take place over a wide temperature range.
  • the activation of the metal electrode preferably takes place at a temperature of 10 to 40°C, particularly preferably at 18 to 27°C.
  • a further object of the present invention is an electrochemically activated metal electrode, in particular obtainable by the process according to the invention.
  • Another object of the present invention is an electrochemically activated metal electrode, in particular obtainable or obtained by the process according to the invention, for carrying out oxidation reactions of organic components, for water electrolysis, in batteries or in catalysis.
  • the metal electrode electrochemically activated according to the process according to the invention can preferably be used in a batch electrolysis cell or in a continuously flowing electrolysis cell, preferably in a continuously flowing electrolysis cell.
  • the metal electrode electrochemically activated according to the process according to the invention can preferably be used in an undivided electrolysis cell.
  • Analytical grade chemicals were purchased from common suppliers (such as TCI, Aldrich, Rotisolv, Fisher Chemical, VWR, Thermos scientific, and Acros) and used. Solvents were purified by standard methods such as distillation or demineralization.
  • reaction conditions used were ambient pressure and ambient temperature.
  • the electrodes applied for the reactions were commercially available and contain small channels on the inlet and outlet side: stainless steel (1.4571) and RecematTM nickel foam. They fit the setup of the IKA ElectraSyn flow 6-18.
  • a separate sheet electrode (6x18 cm2) made of stainless steel (1 .4571) was cut by the university workshop.
  • a TDK Lambda Genesys 750 W/1500 W power supply was used as a galvanostat.
  • the reaction mixture was pumped through Ismapren tubing (size 16) using a Regio Digital MasterflexTM peristaltic pump (model no. 78018-42) from Ismatec.
  • a heating circuit was installed and connected to an IKA WICO CBC 5 C refrigeration and circulation thermostat (model RN41).
  • Melting point determination Melting points were measured using an M-565 device (Büchi, Essen, Germany). The heating rate was 1 °C per minute.
  • Liquid chromatography Photodiode array analysis was performed using a Shimadzu DUGA-20A3 instrument equipped with a Knauer C18 column (Eurospher II, 100-5 C18, 150 x 4 mm). The column was conditioned to 25°C and the flow rate was set to 1 ml/min. The aqueous eluent was buffered with formic acid (0.8 ml/2.5 L) and stabilized with acetone (5 vol%). To prepare the samples, the carboxylic acid product mixture was extracted from the reaction mixture by acid-base extraction with ethyl acetate, dried over MgSO4 and the solvent evaporated. The product was filtered (VWR 13 mm syringe filter with 0.45 pm PTFE membrane), dissolved and diluted in acetonitrile (MS grade). This organic solution was analyzed by liquid chromatography.
  • MS spectra were obtained using a G6545A Q-ToF (Agilent GmbH, Waldbronn, Germany) with dual AJS electrospray ion source (Dual AJS ESI).
  • the MS parameters were as follows: mass range: 80 to 3200 m/z, scan rate: 1 spectrum s 1 , nebulizer pressure: 25 psig, capillary voltage: 3500 V, fragmentor: 50 V, skimmer: 45 V, dry gas temperature: 275°C, dry gas flow: 10 L min-1 , sheath gas temperature: 350 °C, sheath gas flow: 10 L min-1.
  • Mass calibration was performed on the day of measurement with an external standard. The mass accuracy of the measurement results is better than 5 ppm.
  • MALDI TOF MS The Autoflex MALDI TOF mass spectrometer from Bruker Daltonik GmbH (Fahrenheit No 4, 28359 Bremen, Germany) with a smartbeamTMll Nd:YAG laser (355 nm) was used. The image was measured in linear mode. 2-[(2E)-3-(4-tert-butylphenyl)-2-methylprop-2-enylidene]malononitrile (DCTB) was used as matrix.
  • DCTB 2-[(2E)-3-(4-tert-butylphenyl)-2-methylprop-2-enylidene]malononitrile
  • An electrolysis cell with an electrochemically activated nickel anode was prepared as described below and used in the following reactions.
  • a flow electrolysis cell with a geometric anodic surface area of 108 cm 2 was used ( Figure 2).
  • the modular design of the cell, further comprising a self-supporting frame and a cage for the foam electrode - all with an active geometric surface area of 108 cm 2 - makes this electrolyzer particularly interesting for scaled electrolysis in flow mode.
  • the large heat dissipation is made possible by channels behind the electrodes, which enable better temperature control than in smaller commercial flow electrolyzers, where only the reservoir can be set to a certain temperature.
  • Figure 2 shows the scheme of the reaction setup in an undivided flow electrolysis cell with stainless steel cathode and nickel foam anode, which is contacted by a nickel plate electrode.
  • the distance between the electrodes was 3 mm.
  • the cooling circuit used water to control the temperature between 25 and 50 °C.
  • the reaction mixture was emulsified using an IKA Magie lab mixing unit with DR mixing element (IKA-Werke GmbH & Co. KG Staufen, Germany).
  • an activation solution was prepared consisting of 0.1 M NiSO4(aq), 0.1 M NaOAc(aq) and 5 mM NaOH(aq).
  • This activation solution (420 mL) was filled into a cup-shaped cell made of polymethyl methacrylate (PMMA).
  • a stainless steel electrode (6x18 cm) was immersed and connected. Before completely immersing and connecting the nickel foam anode at a distance of 10 mm, it was immersed in 1 M sodium hydroxide solution or thoroughly rinsed with it and then drained. A current density of 5.0 mA errr 2 was applied for 30 min. This corresponds to a charge of 9 C cm 2 .
  • the activation solution was stirred at 300 rpm.
  • the activated dark nickel foam was then rinsed with demineralized water.
  • the stainless steel cathode was cleaned by briefly immersing it in dilute sulphuric acid (4M), then washed with water and treated with sandpaper (pore size 300) until it was optically homogeneous.
  • the cell was then re- Although SEM images showed that the cleaning process did not completely restore the original surface morphology, the activation procedure described above could also be successfully applied to the cleaned nickel foams.
  • the commercially available modular flow electrolyzer IKA ESF 6-18 was used as described above. This was undivided with a nickel foam anode (RecematTM RCM- Ni4753.05), connected by a nickel sheet, and a stainless steel cathode (1 .4571), each with the dimensions 6 x 18 cm 2 . A polytetrafluoroethylene (PTFE) spacer (0.4 mm) was used. The nickel foam anode was activated as described above.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • the commercially available IKA magic LAB® mixing device was connected to the IKA magic PLANT® stirring vessel.
  • the electrolyte consisting of NaOH(aq) (1 M) and the respective cyclic reactant 4-alkylcyclohexanol (1), was emulsified in it.
  • This mixing unit has a powerful DR mixing element and pumps the liquid cyclically into the storage vessel and back again from there. This flow rate is 12,000 rpm (which corresponds to approximately 70 L per hour). From there, a peristaltic pump feeds the upright flow cell from below. Pipes on the outlet side are connected to the storage vessel, allowing the hydrogen formed to be safely removed.
  • a predetermined charge quantity and current density were applied and monitored using a Python software control and the TDK Lambda Genesys galvanostat. After the electrolysis was complete, the reaction mixture was pumped out of the electrolyzer in the reverse flow direction. Then methyl tert-butyl ether (MTBE, 80 ml) and 1 M sodium hydroxide solution (80 ml) were used to purify the cell sequentially. All fractions were pooled and processed by liquid-liquid extraction in a 2L perforator.
  • MTBE methyl tert-butyl ether
  • 1 M sodium hydroxide solution 80 ml
  • non-acidic components were extracted from the basic aqueous reaction mixture using MTBE. After acidification to pH 1-2, the acids were extracted using ethyl acetate. The organic fractions were dried over MgSO4 and the solvents were removed. The remaining acid fraction was weighed and the products were quantitatively analyzed by 13 C inverse gated NMR spectroscopy. 1,3,5-trimethoxybenzene (0.1 mmol) was used as an internal standard.
  • the basic reaction medium was extracted three times with tert-butyl methyl ether (100 mL each), acidified to pH 1-2 with 4.5 M sulfuric acid and extracted four times with ethyl acetate (100 mL each). After drying over MgSO4 and subsequent solvent removal, the product mixture was analyzed by 1 H and 13C inverse-gated NMR against 1,3,5-trimethoxybenzene as an internal standard.
  • 4-ethylcyclohexanol was synthesized according to the following procedure. 4-Ethylphenol (100 g, 0.82 mol) was dissolved in methanol (500 mL), ruthenium/carbon (10 g, 5% Ru on C) was added to the 1 liter autoclave and a hydrogen atmosphere (10 bar) was applied. The autoclave was heated to 120 °C. To control the yield of 4-ethylcyclohexanol (1"), samples (0.1 mL of the reaction medium) were taken once a day. Product formation was monitored by gas chromatography and the reaction was stopped when no further product formation was observed. 4-Ethylphenol was purchased from Sigma Aldrich, ruthenium was purchased from Heraeus Chemicals. 4-Ethylcyclohexanol (1") was synthesized on a 200 g scale with isolated yields of up to 95% after vacuum distillation.
  • a MasterflexTM PharMedTM BPT, L/S 16, tube setup for long-term use was installed.
  • a MasterflexTM IsmatecTM peristaltic pump 78018-42 was used for pumping.
  • An IKA Magie Lab / IKA Magie Plant system with a DR mixing element (IKA-Werke GmbH & Co. KG Staufen, Germany) was used for continuous mixing.
  • the workup of the reaction mixture was carried out as follows: After each experiment, the reaction mixture was collected in a vial and tert-butyl methyl ether (50 mL) was pumped through the electrolyzer in cycle mode for 1 minute to minimize losses. The same was done with 1 M sodium hydroxide solution (50 mL). Acid-base extraction was then carried out using a Ludwig perforator. High stirring speeds can be achieved more easily if a small stirring bar is used. In addition, the solvent should be filled into the main compartment. The yellow basic reaction mixture was extracted overnight with MTBE. The two phases were then separated and the aqueous layer was acidified to pH 1-2 with 4.5 M H2SO4(aq).
  • the resulting carboxylic acid mixture was distilled in vacuo over a Vigreux column at 10°-10 -2 mbar.
  • the main product was distilled at 180-220°C.
  • the remaining yellow color could be removed by recrystallization from heptane. If ethyl esters of 3-ethyladipic acid were present, the product mixture was dissolved in sodium hydroxide solution (3M), heated to 80 °C and stirred vigorously for 3 hours.
  • the mixture was then extracted in a sufficiently large separating funnel with tert-butyl methyl ether (3 x one third of the aqueous volume), acidified to pH 2-3 with H2SO4(aq) (4.5 M) and extracted with ethyl acetate.
  • the organic fraction was dried over MgSO4 and the crystals were collected after removal of the solvent. A second recrystallization resulted in a higher optical purity.
  • the geometric current density refers to the current relative to the geometric anodic surface area of the anodic foam - 108 cm2.
  • the flow rate of the reaction ⁇ D is a cumulative flow rate of both tubes. Each parameter has three data points.
  • the tested parameters are reaction temperature T (25 °C, 37.5 °C and 50 °C), flow rate of the reaction mixture ⁇ D (10 mL min-1, 30 mL min-1 and 50 mL min-1), concentration of 4-ethylcyclohexanol c(1) (0.2 m, 0.35 m and 0.5 m) and applied reaction current density j (3.0 mA cm-2, 4.0 mA cm-2 and 5.0 mA cm-2).
  • Figure 4 shows the qNMR yield change of 3-propyladipic acid over the course of the applied charge.
  • the qNMR yield was analyzed against the standard 1,3,5-trimethoxybenzene.
  • 3-propyladipic acid was influenced by the formation of 4-propylcyclohexanone. 1 F after the maximum available concentration of 4-propylcyclohexanone, the production rate of 3-propyladipic acid was at its highest. The final result was a yield of over 30%.
  • reaction procedure was then changed so that 4-propylcyclohexanone was present in as stable a concentration as possible so that the production rate of 3-propyladipic acid was kept constant.
  • the reactant was fed in at a constant rate, adjusted to the production rate of 3-propyladipic acid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, elektrochemisch aktiviert werden können. Die Erfindung betrifft ferner Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, welche nach dem Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung erhalten wurden. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrochemisch aktivierten Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, in elektrochemischen Reaktionen, Elektrolyse organischer Verbindungen, Katalyse organo-chemischer Reaktionen sowie der Wasserelektrolyse.

Description

Herstellung einer stabilen aktivierten Nickeloxidhydroxid-Schaum-Elektrode
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, elektrochemisch aktiviert werden können. Die Erfindung betrifft ferner Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, welche nach dem Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung erhalten wurden. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrochemisch aktivierten Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, in elektrochemischen Reaktionen, Elektrolyse organischer Verbindungen, Katalyse organo-chemischer Reaktionen sowie der Wasserelektrolyse.
Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden, sind wegen ihrer hohen Porosität, Leitfähigkeit, mechanischen Stabilität und chemischen Beständigkeit in weitgehenden Anwendungsbereichen sehr gefragt.
Bislang ist im Stande der Technik nur ein elektrokatalytisches Verfahren zur Aktivierung von Nickelschaumelektroden bekannt, das auf wechselnder Polarität zweier Nickelelektroden beruht. Diese Aktivierung verläuft unter Einsatz von Lösungen aus 0,05 M - 0,1 M NiSO4(aq) und 0,1 M NaOAc(aq) oder 0,1 M KOAc(aq), unter Zugabe von Base in Konzentrationen von 10-5 M bis 1 mM KOH(aq) oder 5 mM NaOH(aq) (G. W. D. Briggs, E. Jones, W. F. K. Wynne-Jones, Trans. Faraday Soc. 1955, 51 , 1433- 1442; B. V. Lyalin, V. A. Petrosyan, Russ. Chem. Bull. 2004, 53, 688-692; W. Jud, C. A. Salazar, J. Imbrogno, J. Verghese, S. M. Guinness, J.-N. Desrosiers, C. O. Kappe, D. Canti Ho, Org. Process Res. Dev. 2022, 26, 1486-1495, H.-J. Schäfer, J. Kaulen, Tetrahedron 1982, 38, 3299-3308). In alien bekannten Fällen erfordert die Aktivierung einen Polwechsel zwischen zwei Nickelelektroden alle 5 bis 30 Sekunden, soweit näher angegeben.
Von Nachteil dieser bekannten Aktivierungsmethode ist die geringe Reproduzierbarkeit, insbesondere für gereinigte Nickelschaumelektroden. So führt die herkömmliche Aktivierungsmethode insbesondere bei Nickelschaumelektroden, die nach elektrochemischen Oxidationen gereinigt werden, nicht reproduzierbar zu stabilen Nickeloxyhydroxiden.
Ferner ist der Einsatz eines Polwechslers erforderlich. Dies erweitert signifikant die Komplexität für die elektronische Peripherie des gewöhnlich galvanostatischen Aufbaus. Darüber hinaus sind zwei Nickelelektroden erforderlich, obwohl nur eine für die anschließende elektrochemische Reaktion eingesetzt wird. Die Hälfte der abgeschiedenen Nickelspezies entfällt also somit auf eine Elektrode, die in der Reaktion nicht zum Einsatz kommen wird, da nur die zuletzt anodisch polarisierte Elektrode eine äußere NiO(OH) Schicht trägt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Aktivierung von Metallelektroden zur Verfügung zu stellen, welches die Nachteile des aus dem Stande der Technik bekannten Verfahrens zur Aktivierung von Metallelektroden und Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelelektroden und vor allem Nickelschaumelektroden nicht oder in verminderter Form aufweist.
Diese Aufgabe wurde durch den Gegenstand der Patentansprüche sowie der Beschreibung gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung von Metallelektroden umfassend die Schritte
(a) Vorbehandlung der Metallelektrode durch in Kontakt bringen der Metallelektrode mit Base und
(b) elektrochemische Aktivierung der gemäß Schritt (a) vorbehandelten Metallelektrode ohne
Umpolung der Metallelektrode unter Ausbildung einer äußeren Metalloxyhydroxid Schicht, wobei die Metallelektrode 0 bis 100 Gew.-% Nickel und 100 bis 0 Gew.-% Cobalt, jeweils bezogen auf den Gesamtgehalt von Nickel und Cobalt in der Elektrode, oder 10 bis 100 Gew.-% Nickel und 0 bis 90 Gew.-% Eisen, jeweils bezogen auf den Gesamtgehalt von Nickel und Eisen in der Elektrode, aufweist, wobei die Metallelektrode einen Gehalt anderer Metalle gleich oder kleiner als 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die effiziente Aktivierung einer einzigen Metallelektrode, insbesondere Nickelelektrode bzw. Nickelschaumelektrode ungeteilt und im Gleichstrom, ohne dabei eine Umpolung zweier Metallelektroden, insbesondere zweier Nickelelektroden zu benötigen. Ein Polwechsler entfällt beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens, so dass der Aufbau der Anlage vereinfacht wird.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere eine reproduzierbare Aktivierung von Metallschaumelektroden, insbesondere Nickelschaumelektroden nach ihrem Einsatz in elektroorganischen Oxidationen. Die Reinigung von Schaumelektroden gestaltet sich als schwieriger im Vergleich zu Plattenelektroden, weshalb die bisherige Methode für ihre Aktivierung schlechter geeignet schien. Diese lassen sich nicht einfach polieren, wie es bei Plattenelektroden der Fall ist.
Somit bietet das erfindungsgemäß beanspruchte Verfahren einen sehr guten Zugang zu elektrochemisch aktivierten Nickeloberflächen, mit gesteigerter Reproduzierbarkeit beim Einsatz gereinigter Nickelschäume bzw. Nickelschaumelektroden. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die reproduzierbare elektrochemische Aktivierung von (gereinigten) Nickelschäumen und Nickel-Plattenelektroden. Abhängig vom Ausmaß der Verschmutzung kann dies die Lebensdauer der Elektroden verlängern.
Aktivierte Nickelschäume sind elementar für eine erfolgreiche elektrochemische Oxidation vieler Substanzen, u.a. (a)zyklischer Alkohole und Ketone (H.-J. Schäfer, Electrochemistry I, Top. Curr. Chem. 1987, 142, 101-129). Die vorliegende Erfindung erlaubt demnach eine flexible und vereinfachte und Methode, Nickelschäume zu aktivieren. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass in der Benetzung der Metallelektrode, insbesondere der Nickelelektrode nur sehr geringe Volumina einer Base erforderlich sind und zudem die eingesetzte Base kontinuierlich für diesen Zweck verwendet werden kann. Weitere Vorteile bestehen in der Flexibilität im Einsatz verschiedener Aktivierungslösungen, in der Eignung der Reaktionsbedingungen zur industrierelevanten Skalierung der elektrochemischen Aktivierung sowie der Möglichkeit des Einsatzes der großen aktivierten Nickeloberfläche für verschiedene Anwendungen, wie z.B. in der Katalyse oder der Elektrolyse / Batterietechnologie.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht schließlich auch den Einsatz gebrauchter Nickelschäume für elektroorganische Oxidationen an aktivierten Nickeloberflächen. Die elektrochemische Aktivierung im Gleichstrom ermöglicht eine kontrollierte, rapide Aktivierung und umgeht die abgeschiedenen Nickelreste auf der zweiten Elektrode.
Figur 1 zeigt links eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme (SEM) der aktivierten Nickeloxyhyroxid- Oberfläche mit der herkömmlichen Aktivierungsmethode (entnommen von G. W. D. Briggs, E. Jones, W.
F. K. Wynne-Jones, Trans. Faraday Soc. 1955, 51, 1433-1442) und rechts eine SEM-Aufnahme der aktivierten Oberfläche erhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein feinporöses Fasernetz ist in beiden Fällen erkennbar.
Die herkömmliche Aktivierungsmethode führte bei Nickelschäumen, die nach elektrochemischen Oxidationen gereinigt wurden, somit nicht reproduzierbar zu stabilen Nickeloxyhydroxiden. Dies zeigte sich schon rein optisch an einer ausbleibenden Schwarzfärbung.
Figur 2 veranschaulicht eine Durchflusselektrolysezelle zur Durchführung eines Verfahrens unter Verwendung einer elektrochemisch aktivierten Metallelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 zeigt eine graphische Auswertung der Parameter-Ergebnisse mit einer Auftragung entsprechend der qNMR-Ausbeuten von 3-Ethyladipinsäure nach der elektrochemischen Oxidation von 4- Ethylcyclohexanol unter Verwendung einer elektrochemisch aktivierten Metallelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figuren 4 und 5 veranschaulichen die qNMR Ausbeute-Änderung von 3-Propyladipinsäure ohne und mit Zuführung von 4-Propylcyclohexanon im Verlauf der applizierten Ladung unter Verwendung einer elektrochemisch aktivierten Metallelektrode gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das in Kontakt bringen der Metallelektrode mit Base hat eine doppelte Funktion: Sie reinigt einerseits die Oberfläche und beschleunigt andererseits an der Oberfläche eine rapide Ausbildung einer Metalloxyhydroxid-Schicht, insbesondere einer Nickeloxyhydroxid-Schicht.
Für weitergehende Oxidationsreaktionen an entsprechend elektrochemisch aktivierten Metalloxyhydroxid-
Anoden, insbesondere Nickeloxyhydroxid-Anode (Ni(O)OH) kann es vorteilhaft sein, eine basische Umgebung, beispielsweise verdünnte Natronlauge als Elektrolyt, zu wählen, um den Katalysator während der Reaktion aktiv zu halten.
Der Gehalt anderer Metalle in der Metallelektrode ist bevorzugt gleich oder kleiner 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt gleich oder kleiner 2 Gew.-% und noch weiter bevorzugt gleich oder kleiner 1 Gew.- %, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt.
Bevorzugt enthält die Metallelektrode höchstens jeweils bis zu 1 Gew.-%, besonders bevorzugt höchstens jeweils bis zu 0,1 Gew.-% und noch weiter bevorzugt höchstens jeweils 0,01 Gew.-% an V, Wo und Mo. Es ist zu beachten, dass diese Metalle insbesondere in alkalisch-wässrigen Emulsionen einer Korrosion unterliegen.
Besonders bevorzugt kommen zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren Metallelektroden in Betracht, die wenigstens 80 Gew.-%, bevorzugt wenigstens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt wenigstens 95 Gew.- %, Nickel aufweisen, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht der Metalle in der Elektrode.
Die Metalle in Nickel und/oder Cobalt und gegebenenfalls Eisen können in der Metallelektrode auf einem Substrat vorliegen, wobei das Substrat insbesondere wenigstens ein Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Stahl, Kupfer, Titan und Kohlenstoff, vorzugsweise Graphit.
Die Metallelektrode kann bevorzugt mit wenigstens einem Element der 5. und/oder 6. Hauptgruppe dotiert sein, besonders bevorzugt mit einem oder mehreren Elementen, vorzugsweise einem Element welche(s) ausgewählt ist/sind aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Arsen, Selen und Schwefel.
Die Gehaltsangaben der Dotierung beziehen sich auf den Elementarzustand der Dotierung bezogen auf die Masse des Metalls der Elektrode.
Sofern die Metallelektrode mit Phosphor dotiert ist, kann diese bevorzugt 2 bis 10 Gew.-% Phosphor, besonders bevorzugt 3 bis 9 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 4 bis 9 Gew.-% aufweisen, wobei Phosphor jeweils als Element betrachtet und auf die Metallmasse der Elektrode bezogen ist.
Die Gehaltsbestimmung der Phosphordotierung kann bevorzugt gemäß DIN EN ISO 5427, Anhang D.1 durchgeführt werden
Bevorzugt weist die Metallelektrode eine Dicke von mehreren Millimetern auf, mehr bevorzugt von mehr als 3 mm, weiter mehr bevorzugt mehr als 5 mm und insbesondere bevorzugt gleich oder dicker als 6 mm.
Bevorzugt kommt in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Ni(O)OH-Schaumelektrode als Metallelektrode zum Einsatz, die vorzugsweise mindestens zu 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 85, 90, 95, 98 oder 99 Gew.- %, ganz besonders bevorzugt mindestens 99,9, und noch weiter bevorzugt mindestens 99,99 Gew.-% Nickel enthält, jeweils bezogen auf den Metallgehalt der Ni(O)OH-Schaumelektrode.
Vorzugsweise wird die Metallelektrode durch in Kontakt bringen mit Base, vorzugsweise wenigstens einer anorganischen Base und/oder wenigstens einer organischen Base vorbehandelt.
Zum Einsatz für den Schritt des in Kontakt bringen eignen sich übliche, dem Fachmensch bekannten anorganischen und organischen Basen. Vorzugsweise kommen eine oder mehrere Basen, vorzugsweise eine Base, unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N(RA)4OH, N(RA)4acetat, mit RA jeweils unabhängig voneinander H oder Ci-4-Alky I, linear oder verzweigt, NaOH, Natriumacetat, KOH, Kaliumacetat, LiOH, Lithiumacetat, Na2CO3, K2CO3 und U2CO3 zur Anwendung, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NaOH und KOH.
Die Base wird im Schritt des in Kontakt bringen bevorzugt in wässriger Lösung eingesetzt, wobei die Konzentration der Base vorzugsweise 10 mM bis 10 M, besonders bevorzugt 0,2 bis 5 M, ganz besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 M und noch weiter bevorzugt 1 ± 0,1 M beträgt.
Das in Kontakt bringen der Metallelektrode mit Base kann insbesondere durch Aufsprühen, Eintauchen, im Strahl oder im Fluss erfolgen.
Die Metallelektrode und die Base können über einen weiteren Temperaturbereich miteinander in Kontakt gebracht werden. Bevorzugt erfolgt das in Kontakt bringen der Metallelektrode mit Base bei einer Temperatur von 10 bis 40°C, besonders bevorzugt bei 18 bis 27°C erfolgt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafterweise die elektrochemische Aktivierung der Metallelektrode durchgeführt werden, wobei sich für diesen Schritt insbesondere eines oder mehrere Salze von Nickel und/oder Cobalt und gegebenenfalls Eisen eignen.
Sofern Salze von Nickel bzw. Cobalt zum Einsatz kommen, eignen sich insbesondere die Salze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Ni2SO4 und CoSO4.
Zur elektrochemischen Aktivierung der Metallelektrode können das Salz oder die Salze bevorzugt in wässriger basischer Lösung vorliegen, vorzugsweise in einer Konzentration von 0,05 bis 0,15 M.
Hierbei kommen übliche, dem Fachmenschen bekannte Basen in Betracht. Vorzugsweise kommen eine oder mehrere Basen, insbesondere eine Base zur Anwendung, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus N(RA)4OH, N(RA)4acetat, mit RA jeweils unabhängig voneinander H oder C-i-4-Alkyl, linear oder verzweigt, NaOH, Natriumacetat, KOH, Kaliumacetat, LiOH, Lithiumacetat, Na2CO3, K2CO3 und U2CO3, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NaOH und KOH. Die Konzentration der Base bei der elektrochemischen Aktivierung der Metallelektrode beträgt bevorzugt 10 mM bis 10 M, bevorzugt 0,2 bis 5 M, besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 M, ganz besonders bevorzugt 1 ± 0,1 M.
Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung der Metallelektrode bei einer Ladungsmenge von 2 bis 10 Coulomb, vorzugsweise 5 bis 7 Coulomb erfolgt.
Die Aktivierung der elektrochemischen Metallelektrode kann über einen weiten Temperaturbereich erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Aktivierung der Metallelektrode bei einer Temperatur von 10 bis 40°C, besonders bevorzugt bei 18 bis 27°C erfolgt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrochemisch aktivierte Metallelektrode insbesondere erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrochemisch aktivierte Metallelektrode, insbesondere erhältlich oder erhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, zur Durchführung von Oxidationsreaktionen organischer Komponenten, zur Wasserelektrolyse, in Batterien oder in der Katalyse.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrochemisch aktivierte Metallelektrode kann bevorzugt in einer Batch-Elektrolysezelle oder in einer kontinuierlich durchströmten Elektrolysezelle, vorzugsweise in einer kontinuierlich durchströmten Elektrolysezelle zum Einsatz kommen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrochemisch aktivierte Metallelektrode kann bevorzugt in einer ungeteilten Elektrolysezelle eingesetzt werden.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die vorliegende Erfindung weiter, sind aber nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung auszulegen.
Beispiele:
Allgemeine Informationen und Methoden
Chemikalien von analytischer Qualität wurden von gängigen Anbietern (wie TCI, Aldrich, Rotisolv, Fisher Chemical, VWR, Thermos scientific und Acros) bezogen und verwendet. Lösungsmittel wurden durch Standardmethoden wie Destillation oder Demineralisierung gereinigt.
Als Reaktionsbedingungen wurden, sofern nicht anders angegeben, Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur verwendet. Die für die Reaktionen applizierten Elektroden waren kommerziell erhältlich und enthalten kleine Kanäle auf der Einlass- und Auslassseite: Edelstahl (1.4571) und Recemat™ Nickelschaum. Sie passen zum Setup des IKA ElectraSyn flow 6-18. Für die Aktivierung wurde eine separate Blechelektrode (6x18 cm2) aus Edelstahl (1 .4571) von der Universitätswerkstatt geschnitten. Als Galvanostat wurde ein TDK Lambda Genesys 750 W/1500 W Netzteil verwendet. Das Reaktionsgemisch wurde unter Verwendung einer Regio Digital Masterflex ™-Schlauchpumpe (Modell-Nr. 78018-42) von Ismatec durch Ismapren- Schläuche (Größe 16) gepumpt. Ein Heizkreislauf wurde installiert und an eine IKA Kälte- und Umwälzthermostate WICO CBC 5 C (Modell RN41) angeschlossen.
Schmelzpunktbestimmung: Schmelzpunkte wurden mit einem Gerät vom Typ M-565 (Büchi, Essen, Deutschland) gemessen. Die Heizrate betrug 1 °C pro Minute.
NMR-Spektroskopie: Ein Bruker Avance III 600 (Bruker, Sondenkopf: 5 mm TCI-CryoProbe-Kopf mit z- Gradient und ATM) NMR-Spektrometer wurde verwendet, um 1 H (600 MHz) und 13C (151 MHz) Inverse Gated-Spektren bei 25°C aufzunehmen. Chemische Verschiebungen (ö) werden in Teilen pro Million (ppm) angegeben. Die Quantifizierung erfolgte durch Integration der jeweiligen Signale im 13C-lnverse- Gated-Spektrum gegen 1 ,3,5-Trimethoxybenzol als internen Standard (ö = (55,4±0,02) ppm). Als Referenz wurde das DMSO-d6-Signal gewählt (ö = 39,52 ppm).
Flüssigchromatographie: Die Photodioden-Array-Analyse wurde unter Verwendung eines DUGA-20A3- Geräts von Shimadzu durchgeführt, das mit einer C18-Säule von Knauer (Eurospher II, 100-5 C18, 150 x 4 mm) ausgestattet war. Die Säule wurde auf 25°C konditioniert und die Flussrate auf 1 ml/min eingestellt. Das wässrige Eluent wurde mit Ameisensäure (0,8 ml/2,5 I) gepuffert und mit Aceton (5 Vol.- %) stabilisiert. Zur Herstellung der Proben wurde das Carbonsäureproduktgemisch aus dem Reaktionsgemisch durch Säure-Base-Extraktion mit Ethylacetat extrahiert, über MgSÜ4 getrocknet und das Lösungsmittel verdampft. Das Produkt wurde filtriert (VWR 13 mm Spritzenfilter mit 0,45 pm PTFE- Membran), gelöst und in Acetonitril (MS-Qualität) verdünnt. Diese organische Lösung wurde durch Flüssigkeitschromatographie analysiert.
Hochauflösende Massenspektren wurden unter Verwendung eines G6545A Q-ToF (Agilent GmbH, Waldbronn, Deutschland) mit dualer AJS-Elektrospray-lonenquelle (Dual AJS ESI) erhalten. Die MS- Parameter waren wie folgt: Massenbereich: 80 bis 3200 m/z, Scanrate: 1 Spektrum s 1, Zerstäuberdruck: 25 psig, Kapillarspannung: 3500 V, Fragmentor: 50 V, Skimmer: 45 V, Trockengastemperatur: 275°C, Trockengasfluss: 10 L min-1 , Sheath-Gastemperatur: 350 °C, Sheath-Gasfluss: 10 L min-1. Die Massenkalibrierung wurde am Tag der Messung mit einem externen Standard durchgeführt. Die Massengenauigkeit der Messergebnisse ist besser als 5 ppm. Die chromatographische Trennung wurde auf einem 1260 Infinity II HPLC-System (Agilent GmbH, Waldbronn, Deutschland) mit G7111 B 1260 Quaternary Pump, G7129A 1260 Vialsampler und G7116A 1260 Multicolumn Thermostat, ausgestattet mit einem Agilent EclipsePlus C18 RRHP (2,1 x 50 mm, 2,1 pm) durchgeführt Partikelgröße) analytische Säule. Elutionsmittel waren 98 % H2O mit 2 % ACN und 0,05 % Ameisensäure (Eluent A) und 2 % H2O mit 98 % ACN und 0,05 % Ameisensäure (Eluent B). Die folgende Gradientenelution wurde zur Trennung bei einer Flussrate von 200 pl min-1 angewendet: Beginnend bei 10 % B für 1 min, gefolgt von einer linearen Erhöhung auf 95 % B bei 10 min, Beibehaltung von 95 % B bis 30 min, bevor es weitergeht, zurück zu 10 % B bei 33 min. Die Säule wurde vor der nächsten Messung 15 min lang bei 10 % B äquilibriert. Das Injektionsvolumen betrug 2 pl. Die Daten wurden mit der Agilent MassHunter Workstation LC/MS-Software Version 11 .0 aufgezeichnet und die Datenanalyse wurde mit der Agilent MassHunter Workstation Qualitative Analysis-Software Version 10.0 durchgeführt.
MALDI TOF MS: Das Autoflex MALDI TOF Massenspektrometer von Bruker Daltonik GmbH (Fahrenheitstraße 4, 28359 Bremen, Deutschland) mit einem smartbeam™ll Nd:YAG Laser (355 nm) wurde verwendet. Das Bild wurde im linearen Modus gemessen. Als Matrix wurde 2-[(2E)-3-(4-tert- Butylphenyl)-2-methylprop-2-enyliden]malononitril (DCTB) verwendet.
Es wurde gemäß der nachfolgenden Beschreibung eine Elektrolysezelle mit elektrochemisch aktivierter Nickelanode hergestellt und in den nachfolgenden Umsetzungen verwendet.
Es wurde eine Durchflusselektrolysezelle mit einer geometrischen anodischen Oberfläche von 108 cm2 verwendet (Figur 2). Der modulare Aufbau der Zelle ferner enthaltend einen selbsttragenden Rahmen und einem Käfig für die Schaumelektrode - alle mit einer aktiven geometrischen Oberfläche von 108 cm2 - machen diesen Elektrolyseur besonders interessant für skalierte Elektrolysen im Durchflussmodus. Außerdem wird die große Wärmeableitung durch Kanäle hinter den Elektroden ermöglicht, die eine bessere Temperierung ermöglichen als bei kleineren kommerziellen Durchflusselektrolyseuren, bei denen nur das Reservoir auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden kann.
Figur 2 zeigt das Schema des Reaktionsaufbaus in einer ungeteilten Durchflusselektrolysezelle mit Edelstahlkathode und Nickelschaumanode, die von einer Nickelplattenelektrode kontaktiert wird. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug 3 mm. Der Kühlkreislauf verwendete Wasser zur Temperierung zwischen 25 und 50 °C. Das Reaktionsgemisch wurde mit einer Mischeinheit IKA Magie lab mit DR- Mischelement (IKA-Werke GmbH & Co. KG Staufen, Deutschland) emulgiert.
Aktivierung der Nickelanode:
Zunächst wurde eine Aktivierungslösung hergestellt bestehend aus 0,1 M NiSO4(aq), 0,1 M NaOAc(aq) und 5 mM NaOH(aq). Diese Aktivierungslösung (420 mL) wurde in eine becherförmige Zelle aus Polymethylmethacrylat (PMMA) gefüllt. Eine Edelstahlelektrode (6x18 cm) wurde eingetaucht und angeschlossen. Vor dem vollständigen Eintauchen und Anschließen der Nickelschaumanode im Abstand von 10 mm wurde diese in 1 M Natronlauge getaucht oder gründlich damit gespült und anschließend abgetropft. Eine Stromdichte von 5,0 mA errr2 wurde für 30 min angelegt. Dies entspricht einer Ladung von 9 C cm 2. Die Aktivierungslösung wurde bei 300 U/min gerührt. Anschließend wurde der aktivierte dunkle Nickelschaum mit entmineralisiertem Wasser gespült. Die Edelstahlkathode wurde durch kurzes Eintauchen in verdünnte Schwefelsäure (4M) gereinigt, dann mit Wasser gewaschen und mit Schleifpapier (Porengröße 300) behandelt, bis sie optisch homogen glänzte. Dann wurde die Zelle neu angeordnet. Obwohl REM-Bilder zeigten, dass der Reinigungsprozess die ursprüngliche Oberflächenmorphologie nicht vollständig wiederherstellte, konnte das oben beschriebene Aktivierungsverfahren auch auf die gereinigten Nickelschäume erfolgreich angewendet werden.
Durchführung der Durchflusszellenelektrolyse:
Es wurde der kommerziell erhältliche modulare Durchflusselektrolyseur IKA ESF 6-18 verwendet, wie vorstehend beschrieben. Dieser war ungeteilt mit einer Nickelschaumanode (Recemat™ RCM- Ni4753.05), verbunden durch ein Nickelblech, und einer Edelstahlkathode (1 .4571), jeweils mit den Abmessungen 6 x 18 cm2. Es wurde ein Polytetrafluorethylen (PTFE) Abstandshalter (0,4 mm) verwendet. Die Nickelschaumanode wurde wie vorstehend beschrieben aktivieret.
Das kommerziell erhältliche Mischgerät IKA magic LAB® wurde an den Rührbehälter IKA magic PLANT® angeschlossen. Darin wurde der Elektrolyt, bestehend aus NaOH(aq) (1 M) und dem jeweiligen cyclischen Edukt 4-Alkylcyclohexanol (1), emulgiert. Diese Mischeinheit verfügt über ein leistungsstarkes DR-Mischelement und pumpt die Flüssigkeit zyklisch in den Vo rrats be h älter und von dort wieder zurück. Diese Durchflussrate beträgt 12.000 U/min (was ungefähr 70 L pro Stunde entspricht). Von dort speist eine Peristaltikpumpe die aufrechtstehende Durchflusszelle von unten. Ausgangsseitige Rohre sind mit dem Vorratsbehälter verbunden, wodurch der gebildete Wasserstoff sicher abgeführt werden kann. Eine vorgegebene Ladungsmenge sowie Stromdichte wurden angelegt und überwacht, wobei eine Python- Softwaresteuerung und der Galvanostat TDK Lambda Genesys verwendet wurden. Nach Beendigung der Elektrolyse wurde das Reaktionsgemisch in umgekehrter Strömungsrichtung aus dem Elektrolyseur gepumpt. Dann Methyl-tert-butylether (MTBE, 80 ml) und 1 M Natronlauge (80 ml) wurden verwendet, um die Zelle nacheinander zu reinigen. Alle Fraktionen wurden vereinigt und mittels Flüssig-Flüssig- Extraktion in einem 2L Perforator aufgearbeitet
Dabei wurden aus der basischen wässrigen Reaktionsmischung zunächst nichtsaure Komponenten mit MTBE extrahiert. Nach Ansäuern auf pH 1-2 wurden die Säuren mit Ethylacetat extrahiert. Die organischen Fraktionen wurden über MgSÜ4 getrocknet und die Lösungsmittel entfernt. Die verbleibende Säurefraktion wurde gewogen und die Produkte quantitativ durch 13C Inverse Gated NMR-Spektroskopie analysiert. Als interner Standard wurde 1 ,3,5-Trimethoxybenzol (0,1 mmol) verwendet.
Beispiel 1 :
Figure imgf000012_0001
Es wurde eine anodische Oxidation von 4-Methylcyclohexanol (1') zu 3-Methyladipinsäure (2') in der vorstehend beschriebenen Durchflusszelle durchgeführt.
4-Methylcyclohexanol-Oxidation: 4-Methylcyclohexanol (1', 10 mmol, c = 0,1 M, Isomerengemisch) wurde mit Natronlauge (1 M) in einem Becherglas (V = 100 mL) vermischt. Die Zelle wurde mit einem externen IKA-HBC-5-Thermostaten auf 50 °C temperiert. Das Reaktionsgemisch wurde mit einer Flussrate von 61 mL min-1 durch den Elektrolyseur gepumpt. Die angewandte Stromdichte wurde dabei auf 5,0 mA cm-2 eingestellt, und insgesamt wurde eine Ladung von 8,0 F verwendet. Nach der Reaktion wurde das Produktgemisch gesammelt, tert-Butylmethylether durch die Zelle gepumpt und eine Säure-Base- Extraktion durchgeführt. Dazu wurde das basische Reaktionsmedium dreimal mit tert-Butylmethylether (je 100 mL) extrahiert, mit 4,5 M Schwefelsäure auf pH 1-2 angesäuert und viermal mit Ethylacetat (je 100 mL) extrahiert. Nach Trocknung über MgSO4 und anschließender Lösungsmittelentfernung wurde das Produktgemisch mittels 1 H- und 13C-lnverse-Gated-NMR gegen 1 ,3,5-Trimethoxybenzol als internen Standard analysiert.
Beispiel 2:
Zunächst erfolgte eine Synthese von 4-Ethylcyclohexanol gemäß der nachfolgenden Vorschrift. 4- Ethylphenol (100 g, 0,82 mol) wurde in Methanol (500 mL) gelöst, Ruthenium/Kohle (10 g, 5% Ru auf C) wurde in den 1 -Liter-Autoklaven gegeben und eine Wasserstoffatmosphäre (10 bar) angelegt. Der Autoklav wurde auf 120 °C temperiert. Zur Kontrolle der Ausbeute an 4-Ethylcyclohexanol (1") wurden einmal täglich Proben (0,1 mL des Reaktionsmediums) entnommen. Die Produktbildung wurde gaschromatographisch verfolgt und die Reaktion gestoppt, wenn keine weitere Produktbildung beobachtet wurde. 4-Ethylphenol wurde von Sigma Aldrich gekauft, Ruthenium wurde von Heraeus Chemicals gekauft. 4-Ethylcyclohexanol (1") wurde im 200-g-Maßstab mit isolierten Ausbeuten von bis zu 95 % nach Vakuumdestillation synthetisiert.
Anschließend erfolgte die elektrochemische Oxidation von 4-Ethyl-cyclohexanol zu 3 Ethyladipinsäure gemäß nachfolgendem Schema 1
Figure imgf000012_0002
Hierbei wurde die Oxidation in einem Design-of-Experiment Screening Verfahren in Hinblick auf die Parameter Reaktionstemperatur, Flussrate, Konzentration des cyclischen Edukts und Stromdichte unterzogen. Auch hierbei wurde eine wie vorstehend aktivierte Nickelschaumanode und eine V5A Edelstahlplattenkathode eingesetzt. Die Reaktion erfolgt in einer halbstabilen Emulsion des cyclischen Edukts mit 1 M NaOH(aq), da sich die beiden Flüssigkeiten unter Standardbedingungen nicht mischen.
Für die Durchführung des Screening Verfahrens wurde dabei ein Aufbau Masterflex™ PharMed™ BPT, L/S 16, Röhrchen für den Langzeiteinsatz installiert. Zum Pumpen wurde eine Masterflex™ Ismatec™ Peristaltikpumpe 78018-42 verwendet. Zum kontinuierlichen Mischen wurde ein IKA Magie Lab / IKA Magie Plant System mit einem DR-Mischelement (IKA-Werke GmbH & Co. KG Staufen, Deutschland) verwendet. Bei allen Experimenten arbeitete das Mischsystem mit 12.000 U/min (= 70 L h-1 Umwälzrate), um eine optisch halbstabile Emulsion für die Zeit zu erreichen, die durch den Durchflusselektrolyseur und zurück in den Mischer gepumpt wird. Für alle Reaktionen wurde eine Ladung von 9 F verwendet.
Die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches erfolgte wie folgt: Nach jedem Experiment wurde das Reaktionsgemisch in einem Fläschchen aufgefangen und tert-Butylmethylether (50 mL) 1 Minute lang im Zyklusmodus durch den Elektrolyseur gepumpt, um Verluste zu minimieren. Das Gleiche wurde mit 1 M Natronlauge (50 mL) gemacht. Im Anschluss wurde eine Säure-Base-Extraktion mit einem Perforator nach Ludwig durchgeführt. Dabei können hohe Rührgeschwindigkeiten leichter erreicht werden, wenn ein kleiner Rührstab eingesetzt wird. Zusätzlich sollte das Lösungsmittel in das Hauptfach aufgefüllt werden. Das gelbe basische Reaktionsgemisch wurde über Nacht mit MTBE extrahiert. Anschließend wurden die beiden Phasen getrennt und die wässrige Schicht mit 4,5 M H2SO4(aq) auf pH 1-2 angesäuert. Die Extraktion des neutralisierten Rohprodukts erfolgte dann in einem Perforator mit Ethylacetat. Die beiden organischen Fraktionen wurden über MgSÜ4 getrocknet, das Lösungsmittel wurde unter niedrigem Druck entfernt und das Produkt mittels 13C Inverse Gated NMR mit 1 ,3,5-Trimethoxybenzol als internem Standard analysiert.
Zur Isolierung wurde das erhaltene Carbonsäuregemisch im Vakuum über eine Vigreux-Kolonne bei 10°- 10-2 mbar destilliert. Das Hauptprodukt wurde bei 180-220°C destilliert. Die verbleibende gelbe Farbe konnte durch Umkristallisation aus Heptan entfernt werden. Falls Ethylester der 3-Ethyladipinsäure vorhanden waren, wurde das Produktgemisch in Natronlauge (3M) gelöst, auf 80 °C erhitzt und 3 Stunden lang kräftig gerührt. Dann wurde das Gemisch in einem ausreichend großen Scheidetrichter mit tert-Butylmethylether (3 x ein Drittel des wässrigen Volumens) extrahiert, mit H2SO4(aq) (4,5 M) auf pH 2- 3 angesäuert und mit Ethylacetat extrahiert. Die organische Fraktion wurde über MgSÜ4 getrocknet, und nach Entfernung des Lösungsmittels wurden die Kristalle gewonnen. Eine zweite Umkristallisierung führte optisch zu einer höheren Reinheit.
Für das Parameter-DoE-Screening wurden vier Parameter variiert: die Konzentration des cyclischen Edukts c, die Reaktionstemperatur T, die Flussrate des Reaktionsmediums <D sowie die Stromdichte j, wobei die entsprechenden Parametergrenzen in der nachstehenden Tabelle 1 wiedergegeben sind. Neben den gesetzten Parametergrenzen wurden auch Zentralpunktversuche durchgeführt. Alle Versuche wurden einmal wiederholt, um die Reproduzierbarkeit der Umsetzungen zu bestimmen, und die Reaktionsreihenfolge dieser 18 chemischen Versuche wurde randomisiert. Die Reaktion dauerte zwischen 0,9 und 2,3 Tagen. Quantitative NMR-Ausbeuten von nahezu 40 % wurden für das Zielprodukt (2") erzielt. Die maximale isolierte Ausbeute betrug 39 %. Die Nickelschaumanode wurde für alle hier berichteten Reaktionen wiederverwendet, wodurch sich der Abfallstrom verringerte.
Tabelle 1 : Parameter des DoE-Screenings. Die geometrische Stromdichte bezieht sich auf den Strom im Verhältnis zur geometrischen anodischen Oberfläche des anodischen Schaums - 108 cm2. Reaktionsbedingungen: 1 M NaOH(aq), Wasser, Aktivierung = 7,5 mA cm 2 (geometrische Stromdichte), Aktivierung = 10 C cm 2, 9 F. Die Durchflussrate der Reaktion <D ist eine kumulierte Durchflussrate beider Röhren. Jeder Parameter hat drei Datenpunkte.
Figure imgf000014_0002
Es wurde festgestellt, dass die Durchflussrate und die Konzentration des Edukts den größten Einfluss auf die Ausbeute an gewünschtem Produkt haben. Höhere Durchflussraten, insbesondere von 30 bis 50 mL mim1 und niedrigere Konzentrationen des Edukts, insbesondere von 0,2 bis 0,35 M, wirken sich positiv auf die Ausbeute an 3-Ethyladipinsäuren aus.
Das analysierte Produktspektrum ist der untersuchten Oxidation von 4-Ethylcyclohexanol ist nachstehend wiedergegeben:
Figure imgf000014_0001
Strukturen von 3-Ethyladipinsäure (2"), 3-Ethylglutarsäure (3), 2-Ethylglutarsäure (4) und Ethylbernsteinsäure (5). Eine graphische Auswertung der Parameter-Ergebnisse mit einer Auftragung entsprechend der qNMR- Ausbeuten von 3-Ethyladipinsäure (2) ist in Figur 3 wiedergegeben. Die getesteten Parameter sind Reaktionstemperatur T (25 °C, 37,5 °C und 50 °C), Flussrate des Reaktionsgemischs <D (10 mL min-1 , 30 mL min-1 und 50 mL min-1), Konzentration von 4 Ethylcyclohexanol c(1) (0,2 m, 0,35 m und 0,5 m) und applizierte Reaktions-Stromdichte j (3,0 mA cm-2, 4,0 mA cm-2 und 5,0 mA cm-2).
Das Screening ergab, dass eine besondere Kombination der getesteten vier Parameter zu den höchsten Ausbeuten führt, nämlich eine Flussgeschwindigkeit von 50 mL mim1 , eine Reaktionstemperatur von 25 °C, eine Stromdichte j von 5,0 mA cm 2 und eine Edukt-Konzentration von 0,2 mol/l. Damit konnten Ausbeuten an dem gewünschten Produkt (2") von deutlich über 30% erreicht werden.
Mit diesen Parametern ergaben sich die besten quantitativen NMR-Ausbeuten der Produkte wie folgt:
YqNMR (3-Ethyladipinsäure) = 38%
YqNMR (3-Ethylglutarsäure) = 4%
YqNMR (2-Ethylglutarsäure) = 4%, YqNMR (Ethylbernsteinsäure) = 1 %.
Nach dem Aufarbeitungsverfahren wurde 2" mit einer Ausbeute von 38 % isoliert. Dies ist die effizienteste Isolierung von 2" nach einer elektrochemischen Synthese, über die bisher berichtet wurde.
Charakterisierung von 3-Ethyladipinsäure (2")
Figure imgf000015_0001
2" wurde elektrochemisch nach dem oben beschriebenen Verfahren aus 4-Ethylcyclohexanol (6,41 g, 50 mmol, 0,2 M) synthetisiert. Das Produkt 2" wurde durch Säure-Base-Extraktion, Vakuumdestillation und Umkristallisation aus n-Heptan als hellgelber kristalliner Feststoff erhalten (3,31 g, 19 mmol, 38 %).
1H NMR (600 MHz, DMSO-d6): ö [ppm] = 12.04 (s, 2H), 2.18 (t, J = 7.9 Hz, 2H), 2.12 (d, J = 6.9 Hz, 2H), 1 .68 (hept, J = 6.5 Hz, 1 H), 1 .57 - 1 .42 (m, 2H), 1 .33 - 1 .21 (m, 2H), 0.81 (t, J = 7.5 Hz, 3H).
13C NMR (151 MHz, DMSO-d6): ö [ppm] = 174.75, 174.29, 38.07, 35.41 , 31.20, 28.17, 25.63, 10.69. Schmelzpunkt: (47.4 - 49.8) °C.
HRMS (ESI+) m/z: berechnet für C8H14O4 + H+ 175.0965 [M+H+]+, gefunden: 175.0965. Beispiel 3:
Es wurde eine anodische Oxidation von 4-Propylcyclohexanol zu 3-Propyladipinsäure in der vorstehend beschriebenen Durchflusszelle durchgeführt und die Entwicklung der Ausbeute von der 3- Propyladipinsäure im Reaktionsverlauf analysiert.
Figur 4 zeigt die qNMR Ausbeute-Änderung von 3-Propyladipinsäure im Verlauf der applizierten Ladung. Die qNMR Ausbeute wurde gegen den Standard 1 ,3,5-Trimethoxybenzol analysiert.
Die Bildung von 3-Propyladipinsäure wurde von der Bildung des 4-Propylcyclohexanons beeinflusst. 1 F nach der maximal verfügbaren Konzentration von 4-Propylcyclohexanon war die Produktionsrate von 3- Propyladipinsäure am größten. Das Endresultat war eine Ausbeute von über 30%.
Daran anschließend wurde die Reaktionsführung so geändert, dass 4-Propylcyclohexanon in einer möglichst stabilen Konzentration vorlag, damit die Produktionsrate von 3-Propyladipinsäure konstant gehalten wurde. Dafür wurde das Edukt konstant zugeführt, abgestimmt auf die Produktionsrate von 3- Propyladipinsäure.
Überraschenderweise wurde auch hier eine hohe Ausbeute des gewünschten Produktes beobachtet. Diese Vorgehensweise hat somit einen positiven Einfluss auf die Ausbeute hat und ermöglicht ferner eine kontinuierliche Reaktionsführung.
Die qNMR Ausbeute-Änderung von 3-Propyladipinsäure bei Zuführung von 4-Propylcyclohexanon im Verlauf der applizierten Ladung ist in der Figur 5 wiedergegeben.
Bezugszeichenliste:
1 Durchflusselektrolysezelle
2 selbststehender Rahmen und Käfig für die Elektrode 3 Mischer
4 Emulsion
5 Edelstahl-Elektrode
6 Nickelschaumelektrode
7 Nickel-Plattenelektrode 8 Kühlkreislauf
9 Kühlkreislauf
10 Kühlkreislauf
11 Pumpe

Claims

1 . Ein Verfahren zur elektrochemischen Aktivierung von Metallelektroden umfassend die Schritte
(a) Vorbehandlung der Metallelektrode durch in Kontakt bringen der Metallelektrode mit Base und
(b) elektrochemische Aktivierung der gemäß Schritt (a) vorbehandelten Metallelektrode ohne Umpolung der Metallelektrode unter Ausbildung einer äußeren Metalloxyhydroxid Schicht, wobei die Metallelektrode 0 bis 100 Gew.-% Nickel und 100 bis 0 Gew.-% Cobalt, jeweils bezogen auf den Gesamtgehalt von Nickel und Cobalt in der Elektrode, oder 10 bis 100 Gew.-% Nickel und 0 bis 90 Gew.-% Eisen, jeweils bezogen auf den Gesamtgehalt von Nickel und Eisen in der Elektrode, aufweist, wobei die Metallelektrode einen Gehalt anderer Metalle gleich oder kleiner als 10 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, aufweist.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Metallelektrode einen Gehalt anderer Metalle gleich oder kleiner 5 Gew.-%, besonders bevorzugt gleich oder kleiner 2 Gew.-% und insbesondere bevorzugt gleich oder kleiner 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, jeweils bezogen auf den Gesamtmetallgehalt, aufweist.
3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallelektrode eine Ni(O)OH-Schaumelektrode ist, wobei die Ni(O)OH-Schaumelektrode als Metall insbesondere mindestens zu 80 Gew.-%, bevorzugt mindestens 85, 90, 95, 98 oder 99 Gew.- %, besonders bevorzugt mindestens 99,9, insbesondere bevorzugt mindestens 99,99 Gew.-% Nickel enthält, jeweils bezogen auf den Metallgehalt der Ni(O)OH-Schaumelektrode.
4. Das Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Metallelektrode durch in Kontakt bringen mit Base, wenigstens einer anorganischen Base und/oder wenigstens einer organischen Base vorbehandelt wird, wobei vorzugsweise eine oder mehrere Basen eingesetzt werden, die unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus N(RA)4OH, N(RA)4acetat, mit RA jeweils unabhängig voneinander H oder C-i-4-Alkyl, linear oder verzweigt, NaOH, Natriumacetat, KOH, Kaliumacetat, LiOH, Lithiumacetat, Na2CO3, K2CO3 und U2CO3, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NaOH und KOH.
5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Base in wässriger Lösung eingesetzt wird, insbesondere in einer Konzentration der Base von 10 mM bis 10 M, bevorzugt 0,2 bis 5 M, besonders bevorzugt 0,5 bis 1 ,5 M, ganz besonders bevorzugt 1 ± 0,1 M.
6. Das Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das in Kontakt bringen der Metallelektrode mit der Base bei einer Temperatur von 10 bis 40°C, vorzugsweise bei 18 bis 27°C erfolgt.
7. Das Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der elektrochemischen Aktivierung gemäß Schritt (a) vorbehandelten Metallelektrode eines oder mehrere Salze von Nickel und/oder Cobalt und gegebenenfalls Eisen, besonders bevorzugt durch Salze, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ni2SO4 und/oder CoSO4 verwendet werden.
8. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Salz oder die Salze in wässriger basischer Lösung vorliegen, wobei eine oder mehrere Basen, vorzugsweise eine Base, unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus N(RA)4OH, N(RA)4acetat, mit RA jeweils unabhängig voneinander H oder C-i-4-Alkyl, linear oder verzweigt, NaOH, Natriumacetat, KOH, Kaliumacetat, LiOH, Lithiumacetat, Na2CO3, K2CO3 und U2CO3, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus NaOH und KOH.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die elektrochemische Aktivierung der Metallelektrode bei einer Temperatur von 10 bis 40°C, vorzugsweise bei 18 bis 27°C erfolgt.
10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die elektrochemische Aktivierung der Metallelektrode bei einer Ladungsmenge von 2 bis 10 Coulomb, vorzugsweise 5 bis7 Coulomb erfolgt.
11 . Elektrochemisch aktivierte Metallelektrode, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einen oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
12. Verwendung einer Metallelektrode nach Anspruch 11 zur Durchführung von Oxidationsreaktionen organischer Komponenten.
13. Verwendung einer Metallelektrode nach Anspruch 11 zur Durchführung von Wasserelektrolyse.
14. Verwendung einer Metallelektrode nach Anspruch 11 in Batterien.
15. Verwendung einer Metallelektrode nach Anspruch 11 in der Katalyse.
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