DE4032417A1 - Dimensionsstabile anode (dsa) - Google Patents
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-
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Description
Die Erfindung betrifft eine dimensionsstabile Anode für
elektrochemische Prozesse, insbesondere für die Chloralkalielektrolyse.
Die Erfindung ist in der chemischen
Industrie anwendbar.
Dimensionsstabile Anoden bestehen aus einer elektrochemisch
(elektrokatalytisch) aktiven Schicht aus Rutheniumdioxid
und Titandioxid im geeigneten Molverhältnis,
das mit 25 Mol-% RuO₂ und 75 Mol-% TiO₂ angegeben wird, wobei
die aktive Schicht mittels pyrolytischer Fluidphasendekomposition
geeigneter Stoffe auf einem vorbehandelten
Trägermetall, im allgemeinen Titan, abgeschieden wird.
Diese Verbundelektroden weisen beim Einsatz in technischen
Elektrolysezellen eine hohe Standzeit auf (K. Hass,
Chem.-Ing.-Tech. 47 (1975) 121; V. de Nora, J. W. Kühn
von Burgsdorf, Chem.-Ing.-Tech. 47 (1975) 125; S. Trasatti
und G. Lodi in S. Trasatti (Ed.), Electrode of Conductive
Metallic Oxides, Elsevier, Amsterdam 1981, Part B, 521-
626).
Trotz dieser an sich schon guten Eigenschaften der dimensionsstabilen
Anoden, im Vergleich zu herkömmlichen
Graphitanoden, ist es lohnenswert, an Verbesserungen der
elektrochemischen Parameter, insbesondere der Standzeit,
der elektrochemischen Aktivität und Selektivität zu arbeiten.
Neben dem Einbau einer Zwischenschicht und spezieller
Vorbehandlung des Titansubstrats gibt es in diesem Zusammenhang
auch Erfolge durch gezielte Modifizierung der
Aktivschicht.
Die Modifizierung der Aktivschicht erfolgt dabei hauptsächlich
durch den Einsatz anorganischer Stoffe, beispielsweise
IrO₂ (R. Kötz, S. Stucki: Electrochim. Acta 31
(1986), 1311; DE 23 42 663, CH 5 68 402, US 37 76 834 oder
CeO₂ (DD 2 19 802)).
Die Verwendung von Zusätzen wie IrO₂ und andere ist vor
allem deshalb von Nachteil, weil die mehratomigen komplizierteren
Systeme höhere Anforderungen an den Herstellungsprozeß
stellen und infolge von unkontrollierten chemischen
und strukturellen Inhomogenitäten oft nicht
den gewünschten Effekt zeigen.
Eine Modifizierung der RuO₂/TiO₂-Aktivschicht durch Anwendung
eines speziellen Temperaturregimes unter Ausnutzung
der Zersetzungspunkte der Schichtkomponenten
wird in der DD-Patentschrift WP C25B/3 15 893-2 vorgeschlagen.
Hier werden die Einzelschichten mit einem
konstanten Ru/Ti-Molverhältnis aufgetragen. Auch die so
hergestellten Anoden weisen keine optimalen Standzeiteigenschaften auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dimensionsstabile
Anode mit hoher Standzeit, Aktivität und
Selektivität bedingt durch eine erhöhte Stabilität der
Verbundanoden unter elektrochemischer Belastung zu schaffen.
Erfindungsgemäß besteht die dimensionsstabile Anode aus
einem Verbund von Titansubstrat und darauf aufgebrachter
Aktivschicht, die als senkrecht zur Oberfläche gradierte
Schicht aus Einzelschichten mit variablen Molverhältnissen
von Rutheniumdioxid und Titandioxid mit zur Oberfläche
hin abnehmendem Rutheniumdioxidgehalt aufgebaut
ist. Dabei sollte die erste Schicht auf dem vorbehandelten
Titangrundkörper einen Rutheniumdioxid-Anteil von
40 Mol-% (+/-5 Mol-%) und alle weiteren sich bildenden
Schichten einen kontinuierlich reduzierten Rutheniumgehalt
bis zur Oberflächenschicht mit einer relativen Konzentration
in der Größenordnung von 20 Mol-% (+/-5 Mol-%)
enthalten. Die Anzahl der aufgetragenen Schichten sollte
zwischen 10 und 20 gewählt werden und die Rutheniumdioxidbelegung
zwischen 10 und 15 g/m² betragen.
Die dimensionsstabilen Anoden lassen sich herstellen,
indem auf einen vorbehandelten Titangrundkörper einzelne
Schichten mit variablen Molverhältnissen von Rutheniumdioxid
und Titandioxid aufgebracht und vor dem Aufbringen
der jeweils nächsten Schicht lateral homogenisiert werden.
Dies ist möglich durch Aufbringen der einzelnen Schichten
in Form einer Ruthenium-Titan-Salzlösung, die vor
dem Auftragen der jeweils nächsten Schicht mit abnehmendem
Rutheniumanteil bei einer Temperatur zwischen der
Zersetzungstemperatur der Salzlösung und 600°C getempert
wird.
Die durch diese Anordnung bzw. Verfahrensweise entstandene
DSA ist eine erfindungsgemäße Gradientanode mit kompositionell
senkrecht zur Oberfläche gradierter Aktivschicht,
die sich dadurch auszeichnet, daß sich zum einen die
Schwellenenergie für die Sauerstoffdiffusion in das Aktivschichtvolumen
und damit die anodische Sauerstoffüberspannung
erhöht und zum anderen sich die Morphologie der
Gefügestruktur am Verbund von Aktivschicht und Titangrundkörper
und damit die Stabilität verbessert. Der Konzentrationsgradient
des Edelmetalls bewirkt, daß die anodische
Oxidation fast ausschließlich an der Grenzfläche
zum Elektrolyten stattfindet. Damit wird die Bildung höherer
instabiler Rutheniumoxide im Aktivschichtvolumen
weitgehend verhindert. Die standzeitvermindernde Volumenerosion,
die gleichbedeutend ist mit einem kleineren
elektrokatalytischen Effektivitätsfaktor des Edelmetalls,
wird auf diese Weise ausgeschlossen. Im Ergebnis dieser
neuen dimensionsstabilen Gradientanode ergeben sich im
Elektrolysebetrieb längere Standzeiten bzw. eine Einsparung
von Edelmetall bei geringerem Energieverbrauch.
Der mechanisch geglättete und mit Tetrachlorkohlenstoff
gereinigte Titanträger wurde in konzentrierter Salzsäure
eine Stunde bei 80°C geätzt, mehrfach mit destilliertem
Wasser gespült und dann getrocknet. Anschließend wurde
das Substrat bei 500°C an der Luft kurzzeitig oxidiert.
Danach erfolgte der Auftrag der Ru/Ti-Präparationslösungen
durch Pinseln. Titan wurde in Form von Titantetrabutylat
und Ruthenium in Form von Ruthenium(III)-Chlorid-3-Hydrat
in Isopropanol eingesetzt. Das über die gesamte aktive
Schicht gemittelte Ru/Ti-Molverhältnis betrug 25/75,
die aufgebrachte Edelmetallmenge 12 g RuO₂/m². Die Aktivschicht
besteht aus 20 Einzelschichten, die mit 10 unterschiedlichen
Molverhältnissen zwischen 40/60 und 20/80
in linearer Abstufung pyrolytisch aufgebracht wurden.
Jede Schicht wurde jeweils 10 Minuten bei 160°C, 220°C,
300°C und 360°C getempert. Das Gesamtsystem des Aktivschicht/
Substrat-Verbundes wurde danach einer Temperaturbehandlung
bei 420°C für 60 Minuten unterzogen. Die so
präparierten Gradientanoden wurden zur Elektrolyse einer
wäßrigen 4-molaren Natriumchlorid-Lösung (pH=2,7) eingesetzt.
Bei einer Stromdichte von 100 mA/cm² und einer
Temperatur von 25°C betrug die anodische Überspannung 50
bis 70 mV. Im Schwefelsäuretest (Elektrolyse in 1-molarer
H₂SO₄, 25°C, 0,5 A/cm²) wurde eine Standzeit von über
70 Stunden registriert.
Voraussetzungen und Vorbehandlung entsprechen dem Beispiel 1.
Die Anzahl der Einzelschichten betrug 10, die
in 5 unterschiedlichen Molverhältnissen zwischen 40/60
und 20/80 in linearer Abstufung pyrolytisch abgeschieden
wurden. Die erste Schicht wurde deponiert mit einer Temperung
von 10 Minuten bei 350°C und 3 Minuten bei 550°C,
die Schichten 2 bis 8 mit 3 Minuten bei 550°C und die beiden
letzten Schichten mit jeweils 10 Minuten bei 450°C.
Die anodische Überspannung betrug unter den Bedingungen
von Beispiel 1 30 bis 40 mV, die Standzeit im Schwefelsäuretest
lag bei über 100 Stunden.
Claims (6)
1. Dimensionsstabile Anode für elektrochemische Prozesse,
bestehend aus einem Verbund von Titansubstrat und einer
Aktivschicht aus dem Mischoxidsystem Rutheniumdioxid
und Titandioxid, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aktivschicht als senkrecht zur Oberfläche gradierte
Schicht aus Einzelschichten mit variablen Molverhältnissen
von Rutheniumdioxid und Titandioxid mit hin zur
Anodenoberfläche abnehmendem Rutheniumdioxidgehalt aufgebaut
ist.
2. Dimensionsstabile Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Schicht auf dem vorbehandelten
Titangrundkörper einen Rutheniumdioxid-Anteil
von 40 Mol-% (+/-5 Mol-%), alle weiteren sich bildenden
Schichten einen kontinuierlich reduzierten Rutheniumdioxidgehalt
bis zur Oberflächenschicht mit einer relativen
Konzentration von 20 Mol-% (+/-5 Mol-%) enthält.
3. Dimensionsstabile Anode nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl der aufgetragenen
Schichten zwischen 10 und 20 beträgt.
4. Dimensionsstabile Anode nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rutheniumdioxidbelegung
zwischen 10 bis 15 g/m² beträgt.
5. Verfahren zur Herstellung von dimensionsstabilen Anoden,
dadurch gekennzeichnet, daß auf einem vorbehandelten
Titangrundkörper einzelne Schichten mit variablen Molverhältnissen
von Rutheniumdioxid und Titandioxid aufgebracht
und vor dem Aufbringen der jeweils nächsten
Schicht lateral homogenisiert werden, wobei der Rutheniumdioxidanteil
mit der Anzahl der aufgebrachten Schichten
verringert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Ruthenium-Titandioxid-Schichten durch Aufbringen
einer Ruthenium-Titan-Salzlösung mit abnehmendem
Rutheniumanteil und Tempern nach dem Aufbringen bei einer
Temperatur zwischen der Zersetzungstemperatur der Salzlösung
und 600°C erzeugt werden.
Priority Applications (1)
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| DE4032417A1 true DE4032417A1 (de) | 1992-04-16 |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4032417A1 (de) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0867527A1 (de) * | 1997-02-27 | 1998-09-30 | Aragonesas Industrias Y Energia, S.A. | Elektrode mit katalytischer Beschichtung für elektrochemische Prozesse und Verfahren zu deren Herstellung |
| EP2447395A2 (de) | 2010-10-28 | 2012-05-02 | Bayer MaterialScience AG | Elektrode für die elektrolytische Chlorherstellung |
| DE102017214810A1 (de) | 2017-08-24 | 2019-02-28 | Gabriele Keddo | Vorrichtung und Verfahren zur Wasserdesinfektion und Herstellung eines Desinfektionsmittels |
-
1990
- 1990-10-12 DE DE4032417A patent/DE4032417A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0867527A1 (de) * | 1997-02-27 | 1998-09-30 | Aragonesas Industrias Y Energia, S.A. | Elektrode mit katalytischer Beschichtung für elektrochemische Prozesse und Verfahren zu deren Herstellung |
| EP2447395A2 (de) | 2010-10-28 | 2012-05-02 | Bayer MaterialScience AG | Elektrode für die elektrolytische Chlorherstellung |
| DE102010043085A1 (de) | 2010-10-28 | 2012-05-03 | Bayer Materialscience Aktiengesellschaft | Elektrode für die elektrolytische Chlorherstellung |
| DE102017214810A1 (de) | 2017-08-24 | 2019-02-28 | Gabriele Keddo | Vorrichtung und Verfahren zur Wasserdesinfektion und Herstellung eines Desinfektionsmittels |
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Legal Events
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