способ изготовления электрода для электрохимических процессов

Формула изобретения

Способ изготовления электродов для электрохимических процессов, в частности для электролиза щелочных растворов, включающий нанесение на никелевую подложку активного слоя, содержащего соединения металлов группы железа и серы, отличающийся тем, что нанесение ведут путем однократного погружения подложки в раствор, содержащий смесь сульфатов никеля и железа с общей концентрацией 70-75 г/л при соотношении никеля и железа 3-2,5:1 и гипосульфит натрия в количестве 20-50 г/л, процесс ведут при температуре 20-30°С в интервале рН=3-5 в течение 8-21 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области технической электрохимии, а именно к способам изготовления электродов для электролиза щелочных растворов.

Известен способ электрохимического активирования электродов непосредственно в электролизере в растворе соли никеля с добавлением роданистого аммония и уротропина [Э.С.Митауэр, Б.Н.Заманский, Н.Н.Фесенко. Авторское свид. СССР № 170473, «Открытия, изобретения», 1965, № 9].

Недостатком этого способа является необходимость нагрева электролита до 50°С, т.е. дополнительный расход тепловой энергии. Кроме того, роданистый аммоний и уротропин являются дефицитными реактивами.

Известен также способ нанесения на никелевую подложку активного слоя [Р.Х.Бурштейн, В.Е.Казаринов, А.Г.Пшеничников, И.Е.Барбашова, О.А.Кузьмичева. Авторское свид. СССР № 1.162.878, «Открытия, изобретения», 1985, № 23.] (прототип), содержащего соединения никеля, кобальта и серы, путем погружения подложки в раствор, содержащий смесь нитратов никеля и кобальта в количестве 150-220 г/л, при соотношении никеля и кобальта 4-3:1 и гидросульфита натрия в количестве 70-120 г/л при температуре 70-90°С. Активацию ведут путем многократного погружения и сушки между погружениями. Потенциал катода при электролизе в щелочном растворе при 4 кА/м² составляет - 0,11 В (отн. в.э.) (прототип). Недостатком прототипа является осаждение продуктов восстановления солей никеля и кобальта не только на поверхности активируемого электрода, но и в растворе, что исключает возможность длительного использования активирующего раствора. Кроме того, в этом способе используется дефицитный кобальт и требуется нагрев активирующего раствора до 80°С.

Цель изобретения - упрощение способа изготовления электрода за счет уменьшения числа погружений в раствор, исключение использования дефицитного кобальта и увеличение стабильности активирующего раствора при сохранении высокой электрохимической активности и стабильности электрода.

Цель достигается тем, что процесс активации ведут путем однократного погружения никелевой подложки в раствор, содержащий смесь сульфатов никеля и железа в суммарной концентрации 70-75 г/л при соотношении никеля к железу 3-2,5:1, и гипосульфита натрия в количестве 20-50 г/л. Процесс ведут при температуре 20-30°С в интервале рН=3-5 в течение 8-21 часа. Активирование электрода достигается его однократным погружением в активирующий раствор, при этом обеспечивается удовлетворительная прочность активного слоя и высокая электрохимическая активность электрода. При нанесении активного слоя на никелевую подложку в указанных условиях в растворе не образуются содержащие серу соединения никеля и железа, вследствие чего раствор может быть использован многократно.

Пример. В качестве основы для изготовления активированного электрода для электролиза воды используется гладкая никелевая или стальная никелированная сетчатая подложка.

Активация осуществляется однократным погружением в раствор, содержащий следующие компоненты (г/л):

NiSO₂·7Н₂O - 50, Fe ₂(SO₄)₃·7Н₂О - 20, Н₃ВО₃ - 10, Na₂S₂ O₃·5H₂O - 50.

Температура = 20°С, рН 3. Время активации 8 часов.

На активированном указанным способом электроде при плотности тока 4 кА/м² потенциал катода в 6 N КОН при 70°С составляет 0,10-0,12 В (относительно водородного электрода сравнения) и не изменяется при испытании электродов в указанных условиях в течение 3000 часов. Активация электродов в указанном активирующем растворе через месяц после его приготовления приводит к такому же результату.

Обоснование выбранных параметров: температурного режима, концентрации гипосульфита, pH и времени активации электрода

При температуре ниже 20°С процесс активации существенно замедлен. При температуре выше 30°С наблюдается выпадение продуктов восстановления солей никеля и железа в растворе. Поэтому оптимальной температурой следует считать 20-30°С.

При содержании гипосульфита натрия в активирующем растворе менее 20 г/л потенциал катода выше, т.е. электрохимическая активность катода меньше. При концентрации гипосульфита натрия более 50 г/л происходит разложение активирующего раствора с выпадением продуктов восстановления солей никеля и железа в осадок. Зависимость перенапряжения катода, т.е. потенциала относительно обратимого водородного электрода, от концентрации гипосульфита в активирующем растворе приведена в таблице 1 (при плотности тока i=4 кА/м², в 6N КОН при 70°С и времени активации 8 часов)

Таблица 1
	10	20	30	40	50
Потенциал катода, В	-0,13	-0,11	-0,11	-0,11	-0,11

Оптимальная концентрация Na₂S₂O₃ составляет от 20 до 50 г/л, т.к. при этом потенциал электрода меньше.

Таблица 2 Обоснование величины рН (при концентрации Na 2S2O3 20 г/л и времени активации 8 часов)
рН	1	2	3	4	5	6	7
Потенциал катода, В.	-0,18	-0,15	-0,11	-0,12	-0,12	-0,17	-0,17

Из данных таблицы 2 следует, что наилучшие результаты получаются при pH от 3 до 5, т.к. в этом интервале pH обеспечивается низкое значение потенциала электрода.

Таблица 3
Обоснование времени активации (при рН 3 и концентрации Na 2S2O3 20 г/л):
Время активации, ч	0,5	1,5	3,5	8	17	21	24
Потенциал катода, В	-0,16	-0,13	-0,13	-0,12	-0,11	-0,12	-0,16

Оптимальное время активации составляет от 8 до 21 часа, т.к. при этом обеспечивается низкое значение потенциала электрода.

Для активации электрода нами выбрана суммарная концентрация солей никеля и железа 70-75 г/л, т.к. при меньшей концентрации процесс активации идет медленно, а при большей происходит выпадение продуктов их восстановления в раствор при выбранных нами параметрах активации (t°, время, рН). Соотношение никеля и железа в активирующем растворе составляет 3-2,5:1, что примерно соответствует соотношению металлов в прототипе.

Активация электрода для электролиза водного щелочного раствора впервые осуществлена химическим путем с использованием гипосульфита натрия в количестве 20-50 г/л при температуре 20-30°С в интервале рН 3-5 в течение 8-21 ч. Ранее известные химические способы активации электродов для электрохимических процессов характеризовались выделением активных компонентов в объеме раствора, что исключено в предлагаемом способе. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".

Основываясь на данных, приведенных в прототипе, невозможно предсказать оптимальные с точки зрения стабильности активирующего раствора условия проведения процесса активации электродов. Проведенные нами исследования позволяют определить оптимальные условия активации электродов, предназначенных для электролиза водных щелочных растворов, с использованием активирующего раствора, содержащего компоненты, указанные в примере. В соответствии с изложенным, данный способ активации электрода имеет изобретательский уровень.