用于氢的电化学析出的电极制造技术

本发明专利技术涉及电极并具体涉及适合于用作在工业电解过程中产生氢的阴极的电极，配备有包含含有钌和硒的外层的催化涂层；并涉及它的制备方法。备方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于氢的电化学析出的电极


[0001]本专利技术涉及电极,并具体涉及适合于用作在工业电解过程中产生氢的阴极的电极，以及涉及它的制备方法。

技术介绍

[0002]在电解工艺领域，例如用于同时生产氯和碱的碱性盐水的电解和用于生产氢和氧的水电解工艺，竞争力与几个因素有关，其主要是能耗的减少，直接与整个工艺的电流电压有关。
[0003]如在析出氢、氯或氧的情况下，可通过使用具有设计为促进需要的电化学工艺的催化涂层的阳极和阴极来实现前述电流电压的降低。
[0004]在碱性盐水的电解的薄膜法中，例如全局电压取决于与欧姆下降和物质传输，离子交换膜和电解质的电阻和分别涉及氯和氢的气体析出反应的阳极和阴极过电压有关的因素。
[0005]用化学耐受材料但缺乏良好的催化活性的电极，例如在碳的情况下，可获得的阴极过电压长期被认为是可接受的。
[0006]然而，在特定情况下，当今的市场需求集中在获得具有越来越高的浓度的碱产品上，这使得由于明显的腐蚀问题而使用碳钢阴极不切实际，此外在降低能耗和随之而来的成本的方面，人们的注意力集中在能够不断降低析氢反应的过电压的催化涂层的研究上。
[0007]因此，具有能够降低氢的阴极过电压的催化涂层的活化电极的使用已经变得广泛；通过使用提供有基于钌或铂氧化物的催化涂层的金属基材例如镍、铜或钢本身，已经获得了好的结果。
[0008]使用具有类似催化涂层的活化电极已经导致能量节省，例如能够补偿来源于使用基于贵金属的催化剂的成本。
[0009]影响使用由基于贵金属的催化涂层活化的电极的经济便利性的另一基本因素涉及在高电流密度下电极的工作寿命。
[0010]然而，大多数基于贵金属的催化涂层由于电流反向而倾向于受到严重损坏，所述电流反向可在工业设备上低效的情况下发生；切换到阳极电流与随后将电极电势升高到高值，可引起铂或钌氧化物的不受控的溶解。
[0011]通过向催化涂层的配制剂中添加稀土族元素，已经获得了对这个问题的部分解决方案。具有这些涂层的阴极证明在设备的正常工作条件下是足够耐受的。
[0012]通过向金属基材施加由包括铂、铑和/或钯的不同相组成的催化涂层，获得了对电流反向抵抗性的进一步改进。然而，这种类型的涂层需要在催化相中高负载量的铂和铑，从而决定了相当高的生产成本。
[0013]因此，显然需要一种用于工业电解工艺、特别是用于具有阴极析氢的电解工艺的新阴极组合物，其特征在于与现有技术配制剂相比在高电流密度下改进的催化活性，在原材料方面具有相等或更低的总成本，并且具有等于或大于通常工作条件的持续时间和对意
外电流反向的抵抗性。
[0014]US 4,300,992 A描述用于在电解过程中氢气析出的电极，包含提供有包含含有钌的内层和外部硒层的催化涂层的金属基材。US 4,975,161 A描述具有单个包含钌和硒的催化涂层的氢气析出电极。US 2014/008215 A1描述用于氢气析出的电极，包含提供有由铂层之后是含有钌和镨的层制成的催化涂层的金属基材。US 3,990,957 A描述用于氢气析出的电极，包含提供有包含钌和锶的催化涂层的金属基材。
[0015]本专利技术具有解决以上描述问题的目的，并涉及特征为低的氢过电压和当电解中断时优异的对意外电流反向的抵抗性的阴极。本专利技术还涉及其生产方法和含有它的电解器。

技术实现思路

[0016]在电解过程工业中，在降低电压方面寻求竞争力的主要驱动力。阴极涂层代表实现这样的电压降低的重要要素，然而导致电压改进的所有改变经常导致对电流反向较弱的涂层，这种电流反向在工业设备故障的情况下可意外发生。
[0017]如本专利技术中描述，配备有催化涂层的电极通过提供相对于现有技术改进的电池电压并在抗反向方面维持优化的稳健性而解决了上述问题。
[0018]在第一方面，本专利技术涉及一种用于在电化学过程中气体析出的电极，包含提供有催化涂层的金属基材，所述催化涂层包含内层和外层，所述内层含有选自至少一种贵金属的元素，和任选一种或多种选自稀土金属的元素和/或选自碱土金属的元素(以金属或其氧化物形式)，所述外层包含80
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99.5重量％的钌和0.5
‑
20重量％的硒，以金属或其氧化物形式的金属元素计。
[0019]与通过使用具有高得多数量贵金属的催化组合物所获得的电压相当，硒的使用允许显著降低氢阴极过电压并在短时间内达到稳定的槽电压值。在外层中使用钌改进涂层对电流反向的抵抗性。
[0020]如本专利技术中描述的组合物允许进一步获得阴极涂层对关闭事件的优异稳健性，等于用大量因催化涂层中稀土的存在而稳定化的钌获得的最好稳健性。
[0021]根据本专利技术，金属基材可为适合用作电化学工艺的电极载体的任何金属。特别是作为用于氯碱电解和水电解工艺的阴极的金属基材。在这种情况下，最多使用的金属基材可选自镍、镍合金、铜和钢。
[0022]根据本专利技术的电极的实施方案，其中所述内层的所述至少一种选自贵金属的元素是铂和/或钌。
[0023]根据本专利技术的电极的实施方案，所述催化涂层的所述内层包含60
‑
100重量％的钌和0
‑
40重量％的选自稀土的金属。
[0024]一种或多种属于稀土族的元素的存在具有稳定贵金属基体的目的，使其更抵抗可在不受控的停止事件期间在电解器中发生的电流反向。
[0025]根据本专利技术的电极的实施方案，所述催化涂层的所述外层包含90
‑
99.5重量％的钌和0.5
‑
10重量％的硒，以金属计。
[0026]专利技术人令人惊讶地观察到，向主要包含钌的催化涂层添加硒，即使小的数量，也允许获得在析氢反应的催化活性方面意想不到的改进性能。
[0027]在另外的实施方案中，所述催化涂层的所述外层具有以金属重量计的组成，包含
95
‑
99.5％的钌和0.5
‑
5％的硒。
[0028]在又另外的实施方案中，所述催化涂层的所述外层具有以金属重量计的组成，包含90
‑
99％的钌和1
‑
10％的硒。
[0029]硒构成负责改进析氢反应的过电压的活性组分，允许甚至当以低浓度存在时催化活性的明显改进。
[0030]此外，主要由钌组成的基体中硒的存在，连同选自稀土族的金属的存在，具有提高电极的工作寿命的优点，允许以消耗的贵金属的百分比数量表示的催化涂层的消耗降低。
[0031]根据另外的实施方案，本专利技术涉及电极，其中内层含有一种或多种选自稀土的元素，并且其中选自稀土族的金属是镨、铈和/或镧。
[0032]专利技术人进行的实验显示了镨比属于稀土族的其它元素提供更好的结果，但是本专利技术也可以铈和/或镧成功地实施。
[0033]在一种实施方案中，所述催化涂层的所述内层具有以金属重量计的组成，包含60
‑
90％钌和10
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于电解过程中的气体析出的电极，包含提供有催化涂层的金属基材，所述催化涂层包含内层和外层，所述内层含有选自贵金属的至少一种元素，和任选的一种或多种选自的稀土金属元素和/或选自碱土金属的元素，其是金属或其氧化物形式，所述贵金属是金属或其氧化物的形式，所述外层包含80
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99.5重量％的钌和0.5
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20重量％的硒，相对于金属或其氧化物形式的金属元素。2.根据权利要求1所述的电极，其中所述内层的所述选自贵金属的至少一种元素是铂和/或钌。3.根据权利要求1或2所述的电极，其中所述外层包含90
‑
99重量％的钌和1
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10重量％的硒，以金属元素计。4.根据前述权利要求中之一所述的电极，其中所述内层含有一种或多种选自稀土的元素，其中所述内层的所述一种或多种选自稀土的元素是镨、铈和/或镧。5.根据权利要求1至3所述的电极，其中所述内层含有钌和选自碱土金属的元素。6.根据前述权利要求中任一项所述的电极，其中所述催化涂层包含与包含以金属或其氧化物形式的铂和/或钯的金属基材直接接触的另外的层。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：德诺拉工业有限公司，
类型：发明
国别省市：