DE2125590A1 - Metal anthraquinone cyanines - useful as electrocatalysts in fuel cells - Google Patents

Metal anthraquinone cyanines - useful as electrocatalysts in fuel cells

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Abstract

Metal complexes of formula (where X Y are H, NH2, OCH3, OH, Cl or CH3 and Me is Fe, Co, Ni, Mn, Cr or Zn). The cpds. are used as electrocatalysts for the cathode side in fuel cells and give improved current voltage performance. They are prepd. from 1,4-substd. 2,3-dicyanoarthraquinones and metal (salts).

Description

Metallkomplexe Vorliegende Erfindung betrifft neue Metall-Anthrachinoncyanine und ihre Verwendung als Elektrokatalysatoren in Brennstoffzellen, insbesondere für Kathoden. Metal Complexes The present invention relates to new metal anthraquinone cyanines and their use as electrocatalysts in fuel cells, especially for Cathodes.

Es ist bekannt (R. Jasinski, Nature 201, 1212 - 1213 (1964)), daß Metallphthalocyanine als Katalysatoren in Sauerstoffkathoden von Brennstoffzellen verwendet werden können. Gegenüber den üblicherweise verwendeten Edelmetallkatalysatoren (Pt, Ag) stellen diese organischen Pigmente eine sehr interessante Alternative dar.It is known (R. Jasinski, Nature 201, 1212-1213 (1964)) that Metal phthalocyanines as catalysts in oxygen cathodes of fuel cells can be used. Compared to the noble metal catalysts commonly used (Pt, Ag) these organic pigments represent a very interesting alternative.

Gemäß einem eigenen, nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag weisen Kathoden von Brennstoffzellen ein verbessertes Stromspannungsverhalten auf, wenn die Kathode und/oder der Katholyt Metallkomplexe der allgemeinen Formel I enthält, in der A einen gegebenenfalls substituierten zweiwertigen Rest bedeutet, der den Molekülteil -C=C- zu einem aromatischen oder heterocyclischen Ring vervollständigt, der Rest R1 wie auch der Rest R2 für ein Wasserstoffatom oder für einen Alkylrest mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen stehen und Me Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer oder Zink bedeutet. Von besonderer Bedeutung sind die Mangan-, Nickel- und insbesondere Kobaltkomplexe.According to a separate proposal, which does not belong to the state of the art, cathodes of fuel cells have an improved current-voltage behavior if the cathode and / or the catholyte are metal complexes of the general formula I contains, in which A is an optionally substituted divalent radical which completes the part of the molecule -C = C- to form an aromatic or heterocyclic ring, the radical R1 as well as the radical R2 represent a hydrogen atom or an alkyl radical having 1 to 4 carbon atoms and Me means chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, copper or zinc. The manganese, nickel and especially cobalt complexes are of particular importance.

Vorliegende Erfindung betrifft Metallkomplexverbindungen der allgemeinen Formel in der X und Y gleiche oder verschiedene Bedeutung haben und für -H, -NH2, ~NOCH,, -OH, -Cl und CH, stehen und in der Me Eisen, Kobalt, Nickel, Mangan, Chrom oder Zink bedeutet.The present invention relates to metal complex compounds of the general formula in which X and Y have the same or different meanings and are -H, -NH2, ~ NOCH ,, -OH, -Cl and CH, and in which Me is iron, cobalt, nickel, manganese, chromium or zinc.

Die genannten Metallkomplexe können in einfacher Weise dadurch hergestellt werden, daß man 1,4-substituierte 2,5-Dicyananthrachinone mit den entsprechenden Metallsalzen oder auch den Metallen selbst bei erhöhten Temperaturen in einem Lösungsmittel für das Anthrachinon, z. B. Triäthylenglykol in Gegenwart eines Reduktionsmittels, z. B. Ammoniak, umsetzt. Die Umsetzung wird zweckmäßig bei Temperaturen von 150 bis 250°C durchgeführt.The metal complexes mentioned can be produced in a simple manner in this way be that one 1,4-substituted 2,5-dicyananthraquinones with the corresponding Metal salts or the metals themselves at elevated temperatures in a solvent for the anthraquinone, e.g. B. triethylene glycol in the presence of a reducing agent, z. B. ammonia, converts. The reaction is expediently carried out at temperatures of 150 carried out up to 250 ° C.

Die neuen Metallkomplexe eignen sich als Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen, vorzugsweise für die Kathodense#ite.The new metal complexes are suitable as electrocatalysts for Fuel cells, preferably for the cathode # ite.

Als Katalysatoren besonders geeignete Metallkomplexe sind solche mit Kobalt oder insbesondere Eisen als Zentralatom. Als Substituenten sind insbesondere die Amino- und die Hydroxylgruppen hervorzuheben.Metal complexes particularly suitable as catalysts are those with Cobalt or especially iron as the central atom. As substituents are in particular highlight the amino and hydroxyl groups.

Metallkomplexe enthaltende Kathoden bestehen in bekannter Weise aus einer porösen Gasdiffusionselektrode, in der der Sauerstoff in reiner Form oder aus der Luft aus der Gasphase elektrochemisch reduziert wird. Das Grundgerüst dieser porösen Elektrode muß elektronisch leitend sein. Es besteht z. B. aus Graphit, Titan, Tantal, Molybdän oder Wolfram, falls die Brennstoffzelle einen sauren Elektrolyten enthält. Für alkalische Elektrolyten sind außer den genannten Metallen z. B. auch Nickel, Eisen oder Kobalt sowie Chromnickelstähle brauchbar.Cathodes containing metal complexes are made in a known manner a porous gas diffusion electrode in which the oxygen is in pure form or is electrochemically reduced from the air from the gas phase. The basic structure of this porous electrode must be electronically conductive. There is z. B. made of graphite, titanium, Tantalum, Molybdenum or tungsten if the fuel cell contains an acidic electrolyte. For alkaline electrolytes, in addition to the metals mentioned, for. B. also nickel, Iron or cobalt as well as chromium-nickel steels can be used.

Die Einarbeitung des Metallkomplexes kann auf mehrere Arten erfolgen. Ist die inaktive, poröse Elektrode als Matrix vorgegeben, so läßt sich der Metallkomplex durch Tränken des porösen Systems mit einer Lösung oder Aufschlämmung des Metallkomplexes in ortanischen Lösungsmitteln, wie Pyridin oder N-Methylpyrrolidon, einbringen und durch nachfolgende Trocknung der Elektrode fixieren. Da die Metallkomplexe sich unzersetzt in 85 bis 97Xiger H2S04 lösen, kann auch eine solche Lösung zur Tränkung des porösen Systems dienen. Durch anschließende Auslaugung mit destilliertem Wasser fällt der Katalysator auf den Porenwandungen des porösen Systems aus. Da sich die Komplexe selbst bei Temperaturen oberhalb 3000C unzersetzt sublimieren lassen, besteht auch die Möglichkeit, durch Einsublimieren in die Poren eine Aktivierung zu erzielen.The incorporation of the metal complex can be done in several ways. If the inactive, porous electrode is given as a matrix, the metal complex can be by soaking the porous system with a solution or slurry of the metal complex in ortanic solvents, such as pyridine or N-methylpyrrolidone, and fix by subsequent drying of the electrode. Because the metal complexes Dissolve undecomposed in 85 to 97X H2S04, such a solution can also be used for impregnation serve the porous system. By subsequent leaching with distilled water the catalyst precipitates on the pore walls of the porous system. Since the Allow complexes to sublime without decomposition even at temperatures above 3000C also the possibility of achieving activation by subliming into the pores.

Das poröse Grundgerüst wird auf bekannte Weise aus den entsprechenden Pulvern durch Sintern, Kaltpressen, Warmpressen, Flamm- oder Plasmaspritzen hergestellt. Man kann die Pulver auch in Mischung mit einem Bindemittel, wie Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, Polypropylen, gegebenenfalls in Gegenwart eines Porenbildners, wie Na2S04 oder Polyvinylalkohol, der anschließend wieder herausgelöst wird, verpressen.The porous basic structure is made in a known manner from the corresponding Powders produced by sintering, cold pressing, hot pressing, flame or plasma spraying. The powder can also be mixed with a binder such as polytetrafluoroethylene, Polyethylene, polypropylene, optionally in the presence of a pore former, such as Press Na2S04 or polyvinyl alcohol, which is then dissolved out again.

Eine weitere Herstellungsmöglichkeit für die Katalysatorelektroden besteht z. B. darin, daß das zur Herstellung der porösen Elektrode vorgesehene elektronisch leitende Material zusammen mit dem fein verteilten Metallkomplex, gegebenenfalls unter Zusatz eines Bindemittels und eines Porenbildners, innig vermischt und zu einer porösen Elektrode weiterverarbeitet wird.Another manufacturing option for the catalyst electrodes consists z. B. is that provided for the production of the porous electrode electronically conductive material together with the finely divided metal complex, if appropriate with the addition of a binder and a pore former, intimately mixed and closed a porous electrode is processed further.

Dabei darf natürlich die Zersetzungstemperatur der Metallkomplexe nicht überschritten werden.Of course, the decomposition temperature of the metal complexes is allowed not be exceeded.

Die erwähnten Mischungen aus elektronisch leitendem Material und den Metallkomplexen können auch zur Herstellung von Schüttelektroden nach Grüneberg, gestützten Elektroden nach v. Sturm oder Dispersionselektroden nach Gerischer verwendet werden.The mentioned mixtures of electronically conductive material and the Metal complexes can also be used to make shaking electrodes after Grüneberg, supported electrodes according to v. Sturm or dispersion electrodes according to Gerischer be used.

Durch Zusatz von Acetogenruß oder anderen Kohlearten mit basischen Oberflächengruppen kann die katalytische Aktivitat der Metallkomplexe gesteigert werden.By adding acetogen black or other types of carbon with basic Surface groups can increase the catalytic activity of the metal complexes will.

Als Elektrolyte können prinzipiell in bekannter Weise sowohl saure als auch alkalische Flüssigkeiten eingesetzt werden, wobei lediglich darauf zu achten ist, daß der gewählte Elektrolyt die Metallkomplexe nicht zersetzt und die elektronisch leitende Matrix nicht angreift.In principle, both acidic electrolytes can be used as electrolytes in a known manner as well as alkaline liquids are used, whereby only care must be taken is that the chosen electrolyte does not decompose the metal complexes and those electronically does not attack the conductive matrix.

Der Kathode werden die Metallkomplexe der obengenannten allgemeinen Formel in Abhängigkeit von der Porosität und dem Material in Mengen von 0,1 bis 60 Ges., bezogen auf das Gewicht der metallisch leitenden Schicht der Kathode zugesetzt. Werden die Metallkomplexe ausschließlich auf die Oberfläche der Kathode, z. B. durch Imprägnieren aufgebracht, so genügen geringere Mengen, während man für den Fall, daß diese Verbindungen in der ganzen Elektrode verteilt sind, zweckmäßig größere Mengen verwendet. Es ist auch möglich, die Metallkomplexe anstelle sie in die Kathode einzuverleiben, auch dem Katholyten zuzusetzen.The metal complexes of the above-mentioned general are used for the cathode Formula depending on the porosity and the material in amounts from 0.1 to 60 total, based on the weight of the metallically conductive layer added to the cathode. If the metal complexes are only applied to the surface of the cathode, e.g. B. by Impregnation applied, then smaller amounts are sufficient, while for the case that these connections are distributed throughout the electrode, expediently larger ones Quantities used. It is also possible to place the metal complexes in the cathode incorporated, also added to the catholyte.

Im Katholyten wird die Konzentration der Komplexverbindung durch die Löslichkeit bestimmt, es sei denn, man verwendet eine Aufschlämmung. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Metallkomplexe sowohl der Kathode als auch dem Katholyten zuzusetzen.In the catholyte, the concentration of the complex compound is determined by the Solubility determines unless a slurry is used. Of course it is also possible to use the metal complexes of both the cathode and the catholyte to add.

Die mit den neuen Metallkomplexen versehenen Elektroden können als Sauerstoffkathoden in Brennstoffzellen mit flüssigen, gasförmigen oder festen Brennstoffen sowie in Primär- und Sekundärbatterien, z. B. in der Zink-Luft-Batterie, eingesetzt werden.The electrodes provided with the new metal complexes can be used as Oxygen cathodes in fuel cells with liquid, gaseous or solid fuels as well as in primary and secondary batteries, e.g. B. in the zinc-air battery used will.

Sie können aber auch für Elektrolysezellen, in denen elektrochemische Oxidationen ablaufen, als Ersatz für die bekannten Wasserstoffkathoden eingesetzt werden, da sie die Zellspannung um etwa 1 V erniedrigen.But they can also be used for electrolytic cells in which electrochemical Oxidations run off, used as a replacement for the well-known hydrogen cathodes as they lower the cell voltage by about 1 V.

Die in den Beispielen genannten Teile bedellten Pichtsteile.The parts mentioned in the examples are covered with bonded parts.

Beispiel 1 Der Eisenkomplex des aminosubstituierten Anthrachinoncyanins wird wie folgt hergestellt: 11,6 Teile 1,4-Diamino-2,5-dicyanoanthrachinon werden in 150 Teilen Triäthylenglykol mit 2,06 Teilen FeS04x2H20 unter Durchleiten von Ammoniak auf 200 0C erhitzt. Nach ca. 2 bis 3 Stunden ist die Reaktion beendet; nach Abkühlung auf ca. 1000C wird abfiltriert, zuerst mit Triäthylenglykol, dann mit Wasser gewaschen und getrocknet. Example 1 The iron complex of amino-substituted anthraquinone cyanine is made as follows: 11.6 parts of 1,4-diamino-2,5-dicyanoanthraquinone are made in 150 parts of triethylene glycol with 2.06 parts of FeS04x2H20 while passing through Ammonia heated to 200 ° C. The reaction has ended after about 2 to 3 hours; after cooling to approx. 1000C it is filtered off, first with triethylene glycol, then washed with water and dried.

Ausbeute: 10,5 Teile Eisenkomplex.Yield: 10.5 parts of iron complex.

Eine durch diesen Komplex katalysierte Sauerstoff-Dispersionselektrode (vgl. H. Gerischer und J. Held, Ber. Bunsengesellsohaft physik. Chemie 67 (1963) 921), wird wie folgt hergestellt: 100 mg des Rohproduktes aus der Synthese werden in 100 g chemisch reiner 9-gew.iger Schwefelsäure gelöst. In der Lösung werden 100 mg unverdichteter Acetogenruß dispergiert. Die Dispersion erfolgt schnell und vollständig, da der Ruß basische Oberflächengruppen hat. Die frisch bereitete Mischung wird in 955 ml m mH2S04 unter Rühren eingetropft, die sich bereits im Meßgefäß befindet. Es entsteht eine Suspension von 100 mg Katalysator + 100 mg Acetogenruß in 1 1 4,5 n H2S04. Das zylindrische Meßgefäß aus Glas ist mit einem Gitterrührer (500 UpM), einem Gaseinleitungsrohr (1 1/min), einer Auffängerelektrode und einer Gegenelektrode (Pt, über Fritte abgetrennt) ausgestattet. Die Auffängerelektrode besteht aus einem rechteckigen Rahmen aus 1 mm-Golddraht, auf den ein Gold/Platin (90/10)-Netz mit 1000 Maschen pro cm2 aufgeschweißt ist. Die scheinbare Fläche des Netzes beträgt 4,5 cm2. Die Auffängerelektrode wird an der peripherie des Gefäßes so angeordnet, daß die dispergierten Teilchen möglichst senkrecht auf die Elektrode prallen. Das potential der Elektrode wird über eine Luggin-Kapillare gegen eine Hg/Hg2S04-Elektrode in 1 m H2S04 gemessen.An oxygen dispersion electrode catalyzed by this complex (cf. H. Gerischer and J. Held, Ber.Bunsengesellsohaft physik. Chemie 67 (1963) 921), is produced as follows: 100 mg of the crude product from the synthesis are used dissolved in 100 g of chemically pure 9% strength by weight sulfuric acid. The solution will be 100 mg of uncompacted acetogen black dispersed. The dispersion takes place quickly and completely, because the carbon black has basic surface groups. The freshly prepared mixture is in 955 ml of m mH2S04, which is already in the measuring vessel, were added dropwise with stirring. A suspension of 100 mg of catalyst + 100 mg of acetogen black in 1 1 4.5 is formed n H2S04. The cylindrical measuring vessel made of glass is equipped with a grid stirrer (500 rpm), a gas inlet pipe (1 1 / min), a collecting electrode and a counter electrode (Pt, separated by a frit) equipped. The collecting electrode consists of one Rectangular frame made of 1 mm gold wire on which a gold / platinum (90/10) mesh with 1000 meshes per cm2 is welded on. The apparent area of the network is 4.5 cm2. The collector electrode is placed on the periphery of the vessel so that that the dispersed particles hit the electrode as perpendicularly as possible. That The potential of the electrode is measured against an Hg / Hg2S04 electrode via a Luggin capillary measured in 1 m H2S04.

Die Messung der Stromspannungskurve erfolgt bei 25 0C mit Hilfe eines elektronischen Potentiostaten. Die Kurve wird in einem filr die Praxis interessanten Potentialbereich, nämlich UH = 1000 bis 600 mV, gemessen (UH - Potential gegen die Normalwasserstoffe#lektrode). Beginnend bei UH 1000 mV wiXd mit einer Spannungsgeschwindigkeit von 50 mV/min gemessen. 1/2 Stunde vor der Messung und während der Messung selbst wird Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 1 1/min durch die Apparatur geleitet.The current-voltage curve is measured at 25 ° C. with the aid of a electronic potentiostats. The curve becomes interesting in practice Potential range, namely UH = 1000 to 600 mV, measured (UH - potential against the Normal hydrogen electrode). Starting at UH 1000 mV wiXd with a Tension speed measured at 50 mV / min. 1/2 hour before the measurement and during the measurement itself oxygen is passed through the apparatus at a rate of 1 1 / min.

In der Figur ist die auf diese Weise gemessene Stromspannungskurve als dickausgezogene Kurve wiedergegeben. Zum Vergleich sind zwei Kurven eingetragen, die unter denselben Bedingungen mit Dispersionselektroden mit der gleichen Menge an monomeren (punktierte Kurve) bzw. polymeren (strichlierte Kurve) Eisenphthalocyanin erhalten wurden. Das letztere ist als der aktivste Elektrokatalysator in der Phthalocyaninreihe bekannt. Die Kurven zeigen, daß bei U, 600 mV der neue Elektrokatalysator Ströme ergibt, die um einen Faktor 2bis 3 besser sind als bei den Fe-Phthalocyaninen.In the figure is the current-voltage curve measured in this way shown as a bold curve. Two curves have been entered for comparison, those under the same conditions with dispersive electrodes with the same amount to monomeric (dotted curve) or polymeric (dashed curve) iron phthalocyanine were obtained. The latter is considered to be the most active electrocatalyst in the phthalocyanine series known. The curves show that the new electrocatalyst has currents at U.600 mV results that are a factor of 2 to 3 better than the Fe phthalocyanines.

Der Strom ändert sich bei 50stündigem Dauerbetrieb bei diesem Arbeitspotential (unter kontinuierlichem Durchleiten von Sauerstoff) praktisch nicht. Im Falle der Eisenphthalocyanine beobachtet man nach dieser Zeit bereits eine merkliche Abnahme des Stromes.The current changes with 50 hours of continuous operation at this work potential (with continuous passage of oxygen) practically not. In case of After this time, iron phthalocyanines already show a noticeable decrease of the stream.

Beispiel 2 Der Eisenkomplex des hydroxylsubstituierten Anthrachinoncyanins wird wie folgt hergestellt: 10 Teile 1>4-Dihydroxy-2,3-dicyananthrachinon werden mit 1,78 Teilen FeSO4x2H20 in 125 Teilen Triäthylenglykol verrührt. Die Mischung wird unter Einleiten von Ammoniakgas 6 Stunden lang auf 200cm erhitzt. Anschließend läßt man auf ca. 1000C abkühlen, filtriert heiß, wäscht mit Methanol und Wasser und trocknet bei 800c im Vakuum. Man erhält 9,5 Teile des Eisenkomplexes. Example 2 The iron complex of hydroxyl-substituted anthraquinone cyanine is prepared as follows: 10 parts of 1> 4-dihydroxy-2,3-dicyananthraquinone become stirred with 1.78 parts of FeSO4x2H20 in 125 parts of triethylene glycol. The mixture is heated to 200 cm for 6 hours while passing in ammonia gas. Afterward allowed to cool to about 1000C, filtered hot, washed with methanol and water and dries at 800c in a vacuum. 9.5 parts of the iron complex are obtained.

Die entsprechenden Komplexe des Kobalts, Nickels, Mangans, Chroms und Zinks können auf analoge Weise hergestellt werden, indem man anstelle von Eisensulfat die entsprechenden Sulfate oder Chloride dieser Metalle einsetzt.The corresponding complexes of cobalt, nickel, manganese, chromium and zinc can be prepared in an analogous manner by using instead of iron sulfate the corresponding sulfates or chlorides of these metals are used.

Claims (1)

Patentansprüche Claims Metallkomplexe der allgemeinen Formel in der X und Y gleiche oder verschiedene Bedeutung haben und für -H, -NH2, -OCH5, -OH, -Cl und -CH5 stehen und in der Me Eisen, Kobalt, Nickel, Mangan, Chrom oder Zink bedeutet.Metal complexes of the general formula in which X and Y have the same or different meanings and are -H, -NH2, -OCH5, -OH, -Cl and -CH5 and in which Me is iron, cobalt, nickel, manganese, chromium or zinc. 2. Metallkomplexe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß X und Y für die Aminogruppe und Me für Eisen steht.2. Metal complexes according to claim 1, characterized in that X and Y stands for the amino group and Me for iron. 5. Verwendung der Metallkomplexe gemäß Ansprüchen 1 und 2 als Elektrokatalysatoren für die Kathodenseite in Brennstoffzellen.5. Use of the metal complexes according to Claims 1 and 2 as electrocatalysts for the cathode side in fuel cells. Zeichn. LeerseiteSign. Blank page
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