ES2587678T3 - Aglomeraciones porosas de polvo de plata promovidas por óxido de zirconio para usar como un catalizador en electrodos de difusión de gas, y usos de estos - Google Patents

Aglomeraciones porosas de polvo de plata promovidas por óxido de zirconio para usar como un catalizador en electrodos de difusión de gas, y usos de estos Download PDF

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Abstract

Un electrodo de aire que comprende: un catalizador que comprende: una pluralidad de aglomeraciones porosas de partículas de plata, incluyendo cada aglomeración de dichas aglomeraciones que incluyen una pluralidad de partículas primarias de plata y partículas cristalinas de óxido de zirconio (ZrO2), en donde al menos una porción de dichas partículas cristalinas de ZrO2 se encuentra en los poros formados por una superficie de dicha pluralidad de partículas primarias, y en donde la concentración de la plata y las partículas de ZrO2 en el catalizador exceden 99% en peso; un polímero repelente al agua; un colector de corriente recubierto con plata; y una película hidrófoba porosa, en donde dicho catalizador, dicho polímero repelente al agua y dicho colector de corriente se encuentran en una cara ancha única de dicha película porosa hidrófoba.

Description

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Se tomaron como material precursor 100 g de polvo de plata producidos por el calentamiento de tiras de una aleación de 25Ag-75Al (por ciento en peso) y con un tamaño de partícula primaria de aproximadamente 40 -50 nanómetros. El área de superficie específica (SSA) de este polvo medido por el método B.E.T. fue de 6.7 m2/g. 10 g de dinitrato de óxido de zirconio (IV) hidratado se disolvieron en 200 ml de agua. El polvo de plata se sumergió en esta solución y se remojó por 1 hora. Después, se vertieron 30 ml de NaOH al 25% sobre la suspensión bajo agitación intensa, lo que duró varios minutos hasta que concluyó la reacción (precipitación de escamas blancas). Entonces se enjuagó la mezcla hasta pH neutro aproximadamente 7 para retirar la solución de NaOH, se decantó y llevó a sequedad. El tratamiento con calor se llevó a cabo de acuerdo con el modo siguiente:
250°C por 60 minutos para la deshidratación, y después
450°C por 15 minutos para producir cristales de óxido de zirconio.
El contenido de ZrO2 final en el catalizador es 3.8% en peso, y el SSA del catalizador es 7.5 m2/g. Generalmente, el contenido de óxido de zirconio en el catalizador de la presente invención puede estar en el intervalo entre 1% a 6% en peso, y preferentemente entre 2% a 4%. La pureza mínima del catalizador promovido, que es óxido de zirconio y plata, debe ser al menos 99.7% en peso o mayor.
Aplicación del catalizador inventivo a electrodos de aire/oxígeno
a. Fabricación del electrodo
El electrodo de aire, que consiste en una mezcla activa del catalizador de plata inventivo, un colector de corriente y una película porosa hidrófoba (tal como politetrafluoretileno (PTFE)) enlazado a él, puede producirse por compactación y sinterización.
El cátodo, descrito aquí anteriormente en relación con la Figura 2, incluye la mezcla activa de catalizador inventivo C, al menos un colector de corriente B, y una capa hidrófoba A. Una cara amplia de la capa hidrófoba A cubre ambos la mezcla activa de catalizador C y el colector de corriente B. Es más aun evidente de la Figura 2 que la mezcla de catalizador C y el colector de corriente B se disponen en un solo lado de la cara amplia de la capa hidrófoba A.
En la práctica, la mezcla de catalizador incluye las aglomeraciones porosas de partículas de plata inventivos y el material repelente de agua en polvo o en forma fibrosa. Particularmente, los polímeros repelentes de agua incluyen pero sin limitarse a parafina, y polímeros hidrófobos. Tales polímeros hidrófobos incluyen polímeros fluorados. Tales polímeros fluorados incluyen pero sin limitarse a politetrafluoretileno, etileno-propileno fluorado, resina polimérica de perfluoroalcóxido, clorotrifluoretilenos, y fluoruros de polivinilideno.
En peso, el por ciento de polvo repelente de agua en la mezcla de catalizador debe estar entre 5 -20%, con mayor preferencia entre 12 -18%, y en la realización preferida en 16%.
En la práctica, el cátodo de aire inventivo puede usarse en una variedad de materiales para el colector de corriente conductiva electrónicamente. Estos incluyen, pero sin limitarse a tamiz de metal, malla de alambre de metal, esterilla de fibra de metal no tejida, chapa perforada, y láminas de metal estiradas (expandidas). Estos metales que pueden escogerse para estas formas de colector de corriente incluyen níquel, aleaciones de níquel, acero, varios tipos de acero inoxidable, plata, níquel recubierto con plata, aleaciones de níquel recubiertas de plata, acero recubierto con plata, acero inoxidable recubierto con plata, y otros que son adecuados para el contacto con plata en electrolitos alcalinos.
El material para la capa hidrófoba incluye, pero no se limita a, polímeros fluorados. Tales polímeros fluorados incluyen pero sin limitarse a politetrafluoretileno, etileno-propileno fluorado, resina polimérica de perfluoroalcóxido, clorotrifluoroetilenos, y fluoruros de polivinilideno. La porosidad y el grosor de la capa hidrófoba se seleccionan tales que optimicen el desempeño del cátodo inventivo en su celda electroquímica. Los parámetros a considerar para la optimización incluyen la capacidad de velocidad de destino (corriente de salida), el tiempo de vida en operación, y otros aspectos con los que una persona con experiencia en la técnica se encuentra familiarizado. Por ejemplo, una capa hidrófoba delgada de baja porosidad permite corrientes elevadas (esto es, una alta velocidad de difusión del gas oxígeno a través de la capa) pero puede permitir el movimiento de líquido desde el electrolito al lado gaseoso del cátodo secando así fuera de la celda e inundando los poros y de ese modo acortando el tiempo de vida efectivo. En otra versión, las capas hidrófobas delgadas pueden tener baja porosidad, y las capas hidrófobas gruesas pueden tener una alta porosidad. El efecto combinado de grosor y porosidad puede medirse y cuantificarse con el número de Gurley. Un número de Gurley es el tiempo en segundos que se toman 100 cc de aire para atravesar una membrana de una pulgada cuadrada cuando se aplica una presión constante de 4.88 pulgadas de agua.
La mezcla activa para el electrodo de aire se produce por un doble tamizado del catalizador descrito anteriormente a través de un tamiz de 75 micras y mezclándolo manualmente con PTFE en polvo de grado Zonyl MP 1200 producido
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Aspectos de la solicitud incluyen:
1. Un catalizador que comprende:
una pluralidad de aglomeraciones porosas de partículas de plata, incluyendo cada aglomeración de dichas aglomeraciones:
(a)
una pluralidad de partículas primarias de plata, y
(b)
partículas cristalinas de óxido de zirconio (ZrO2),
en donde al menos una porción de dichas partículas cristalinas de ZrO2 se encuentra en los poros formados por una superficie de dicha pluralidad de partículas primarias.
2.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas cristalinas de ZrO2 tienen un tamaño promedio de partícula de menos de aproximadamente 50 nanómetros.
3.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas cristalinas de ZrO2 tienen un tamaño promedio de partícula de menos de aproximadamente 20 nanómetros.
4.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas cristalinas de ZrO2 tienen un tamaño promedio de partícula de menos de aproximadamente 10 nanómetros.
5.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas cristalinas de ZrO2 tienen un tamaño promedio de partícula de menos de aproximadamente 6 nanómetros.
6.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas cristalinas de ZrO2 tienen un tamaño promedio de partícula de aproximadamente 2 a 5 nanómetros.
7.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas aglomeraciones de partículas de plata tienen un tamaño promedio en el intervalo de 1 a 50 micras.
8.
El catalizador del aspecto 1 en donde dichas aglomeraciones de partículas de plata tienen un tamaño promedio en el intervalo de 3 a 25 micras.
9.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas primarias de plata tienen un tamaño promedio de partícula de hasta 100 nanómetros.
10.
El catalizador del aspecto 1, en donde dichas partículas primarias de plata tienen un tamaño promedio de partícula de hasta 60 nanómetros.
11.
El catalizador del aspecto 9, en donde dichas partículas primarias de plata tienen un tamaño promedio de partícula de más de 20 nanómetros.
12.
El catalizador del aspecto 9, en donde dichas partículas primarias de plata tienen un tamaño promedio de partícula de más de 40 nanómetros.
13.
El catalizador del aspecto 1, en donde los poros en dichas aglomeraciones de poros tienen un diámetro promedio característico de 15 a 250 nanómetros.
14.
El catalizador del aspecto 1, en donde los poros en dichas aglomeraciones de poros tienen un diámetro promedio característico de 50 a 80 nanómetros.
15.
El catalizador del aspecto 1, en donde un área de superficie específica B.E.T. del catalizador está en el intervalo de 3 a 16 metros cuadrados por gramo.
16.
El catalizador del aspecto 1, en donde un área de superficie específica B.E.T. del catalizador está en el intervalo de 6 a 10 metros cuadrados por gramo.
17.
El catalizador del aspecto 1, en donde una concentración de dichas partículas cristalinas de óxido de zirconio en el catalizador está entre 1% y 6%, en peso.
18.
El catalizador del aspecto 1, en donde una concentración de dichas partículas cristalinas de óxido de zirconio en el catalizador está en un intervalo de 2% a 4%, en peso.
19.
El catalizador del aspecto 1, en donde una porosidad B.E.T. promedio del aglomerado del catalizador está en el intervalo de 30% a 50%.
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