способ изготовления электрода для электрохимических процессов
Классы МПК: | C25B11/04 отличающиеся материалы |
Автор(ы): | Крюков Юрий Иванович (RU), Петренко Елена Михайловна (RU) |
Патентообладатель(и): | Учреждение Российской академии наук Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-06-08 публикация патента:
10.12.2010 |
Изобретение относится к области технической электрохимии, а именно к способам изготовления электродов для электролиза щелочных растворов. На никелевую подложку наносят активный слой путем однократного погружения подложки в раствор, содержащий Na 2S в количестве 10-20 г/л и H2SO4 в количестве, соответствующем рН=3-5 при температуре 20-30°C в течение 8-21 часа. Технический эффект - упрощение способа изготовления электрода, исключение использования дефицитных солей кобальта и никеля, обеспечение удовлетворительной прочности активного слоя при сохранении высокой электрохимической активности электрода. 3 табл.
Формула изобретения
Способ изготовления электрода для электрохимических процессов, в частности, для электролиза щелочных растворов, включающий нанесение на никелевую подложку активного слоя, содержащего соединения никеля и серы, отличающийся тем, что нанесение ведут путем однократного погружения подложки в раствор, содержащий Na2S в количестве 10-20 г/л и H2SO4 в количестве, соответствующем рН 3-5 при температуре 20-30°C 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.
В патенте SU 1637667 (Де Нора Пермелек С.П.А.) от 23.03.91, кл. C25B 11/04 предложен катод для хлорного электролиза, в частности катод для выделения водорода в электролизерах с целью увеличения срока службы за счет повышения его стойкости к дезактивирующему действию железа и ионов тяжелых металлов. Электрокаталитическое покрытие этого катода содержит, в частности, ядовитые вещества: таллий, свинец, мышьяк в количестве до 10 ат.%. Процесс изготовления указанного катода весьма сложен, т.к. включает электроосаждение покрытия на подложку, сушку, нагревание в печи при 480°C.
В патенте RU 2146308 (Рон-Пуленк Шими) от 10.03.2000, кл. C25B 11/04 предложен электроактивированный материал для катодных элементов и способ его изготовления, который включает фильтрование водной суспензии, содержащей электрокатализатор, волокна, связующее и добавки, через высокопористый материал в вакууме, сушку и спекание, т.е. процесс изготовления электрода также достаточно сложен.
Известен способ изготовления электродов для электрохимических процессов, включающий нанесение на никелевую подложку активного слоя [Р.Х.Бурштейн, В.Е.Казаринов, А.Г.Пшеничников, Н.Е.Барбашева, О.А.Кузьмичева. Авторское свидетельство СССР № 1162878. «Открытия, изобретения», 1985, № 23] (прототип), содержащего соединения никеля, кобальта и серы, путем погружения никелевой подложки в раствор, содержащий смесь нитратов никеля и кобальта в количестве 150-220 г/л, при соотношении никеля к кобальту, равном 4-3:1, и гидросульфит 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 плотности тока 4 кА/м2 и температуре 70°C составляет 0,11 В (отн. о.в.э.) (прототип).
Недостатком прототипа является использование для изготовления электрода дефицитных солей никеля и кобальта, нагрев активирующего раствора до 70-90°C, а также многократное повторение операций.
Цель изобретения - упрощение способа изготовления электрода за счет проведения процесса без нагревания, уменьшения числа погружений подложки в раствор и его удешевление за счет исключения использования солей кобальта и никеля, а также за счет замены гидросульфита натрия на сульфид натрия, при сохранении высокой электрохимической активности электрода.
Цель достигается тем, что процесс активации ведут путем однократного погружения никелевой подложки в раствор, содержащий сульфид натрия в количестве 10-20 г/л и серную кислоту в количестве, соответствующем рН=3-5, при температуре 20-30°C и времени активации 8-21 часа. Активирование электрода достигается за счет частичного растворения никелевой подложки серной кислотой с последующим взаимодействием образующихся при этом ионов никеля с ионами S2- и получением на поверхности электрода сульфидов никеля, при этом обеспечивается удовлетворительная прочность активного слоя и высокая электрохимическая активность электрода.
Предлагаемый способ изготовления электрода для электрохимических процессов имеет изобретательский уровень, так как сохранение высокой электрохимической активности электрода при изменении состава активирующего раствора (исключение солей никеля и кобальта и замена их на серную кислоту и сульфид натрия) не является очевидным.
Обоснование выбранных параметров: температурного режима, концентрации сульфида натрия, рН и времени активации электрода.
При температуре ниже 20°C процесс активации электрода существенно замедлен. При температуре выше 30°C происходит ускоренная коррозия подложки. Поэтому оптимальной температурой следует считать 20-30°С.
При концентрации сульфида натрия в активирующем растворе менее 10 г/л и более 20 г/л потенциал катода при электролизе раствора щелочи выше, т.е. электрохимическая активность катода меньше. Зависимость перенапряжения катода, т.е. потенциала относительно обратимого водородного электрода, от концентрации сульфида натрия в активирующем растворе приведена в таблице 1 (при плотности тока 4 кА/м2, в 6N КОН при 70°C и времени активации 17 часов).
Таблица 1 | |||||
, г/л | 8 | 10 | 15 | 20 | 22 |
Потенциал катода, В | -0,14 | -0,10 | -0,11 | -0,12 | -0,14 |
Оптимальная концентрация Na 2S составляет от 10 до 20 г/л, т.к. при этом потенциал электрода минимален.
Таблица 2 | ||||||
Обоснование величины рН (при концентрации Na2S - 10 г/л и времени активации 17 часов при температуре 25°С) | ||||||
рН | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Потенциал катода, В | -0,18 | -0,13 | -0,10 | -0,11 | -0,12 | -0,14 |
Из данных таблицы 2 следует, что наилучшие результаты получаются при рН от 3 до 5, т.к. при активации в этом интервале рН обеспечивается низкое значение потенциала электрода при электролизе 6N КОН.
Таблица 3 | |||||
Обоснование времени активации (при рН=3 и концентрации Na 2S=20 г/л при температуре 20°С) | |||||
Время активации, ч | 4 | 8 | 17 | 21 | 24 |
Потенциал катода, В | -0,16 | -0,11 | -0,11 | -0,12 | -0,16 |
Оптимальное время активации составляет от 8 до 21 часа, т.к. при этом обеспечивается низкое значение потенциала электрода при электролизе 6N КОН.
Проведенные нами исследования позволяют определить оптимальные условия активации электродов, предназначенных для электролиза водных щелочных растворов, с использованием активирующего раствора, содержащего компоненты, указанные в примере.
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):
Na2S - 20, H2SO 4 - до рН=3.
Температура=20°С. Время активации = 17 часов.
На активированном указанным способом электроде при плотности тока 4 кА/м2 потенциал катода в 6 NКОН при 70°С составляет -0,11 В (относительно обратимого водородного электрода сравнения).
Активация электрода для электролиза водного щелочного раствора впервые осуществлена химическим путем без активирующих солей тяжелых металлов с использованием Na2S в количестве 10-20 г/л и H2SO4 (до рН=3-5). Ранее известные химические способы активации электродов для электрохимических процессов характеризовались наличием активирующих солей тяжелых металлов в объеме раствора, что исключено в предлагаемом способе. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна". Кроме того, этот способ является более дешевым за счет исключения использования солей тяжелых металлов и замены используемого в прототипе гидросульфита натрия на Na2S, имеющий более низкую стоимость.
Класс C25B11/04 отличающиеся материалы