JP2010059446A - 電解用電極 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の塩素発生用電極は、導電性基材上に、酸化パラジウム(PdO)および白金からなる電極触媒被覆層を最表面に有する電極であって、該酸化パラジウムが白金を固溶していることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
その中で、塩素発生用の陽極に関しては、いわゆるDSA(Dimension Stable Anode:寸法安定性陽極)と呼ばれるルテニウム等の白金族酸化物の被覆をチタン基材上に設けた不溶性電極が広く使用されている。
(a)白金を固溶した酸化パラジウムの被覆が、熱分解法により形成でき、塩素発生用電極の活物質として有効であること。
(b)前記の被覆を形成する基材に、ルテニウム、イリジウム、チタンのうち少なくとも1種類の酸化物を含む被覆層を予め形成しておくと、白金を固溶した酸化パラジウムの均一な被覆が形成できること。
(d)前記の被覆を有する塩素発生用電極は、いわゆるDSAに比べて、低過電圧で塩素ガス中の酸素ガス濃度が低いこと。
(e)前記の被覆を有する塩素発生用電極は、塩水への有機物添加による電解電圧の上昇がほとんどなく、塩水中のTOC(Total Organic Carbon:全有機体炭素)に由来する電解性能低下を抑制できること。
(2)導電性基材に接して、ルテニウム、イリジウム、チタンのうち少なくとも1種類の酸化物を含む被覆層をさらに有することを特徴とする上記(1)に記載の電解用電極。
(4)導電性基材上に直接、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物のうち少なくとも1種類の化合物を含む溶液をコーティングした後、酸素の存在下で熱分解し、導電性基材に接する被覆層を予め形成することを特徴とする上記(3)に記載の製造方法。
導電性基材は、飽和に近い高濃度の食塩水中で、塩素ガス発生雰囲気で用いられるため、耐食性のあるチタンが好ましい。
基材形状は特に限定はなく、目的によって適切な形状を選択することができる。エキスパンド形状、多孔板、金網などが好適に用いられる。
これらの基材は、被覆と基材表面とを密着させるために、カットワイヤ、スチールグリッド、アルミナグリッド等を用いたブラスト処理により、表面に凹凸を形成した後、硫酸または塩酸を用いた酸処理等による表面積増大化処理を行うことが好ましい。
パラジウムと白金の組成比は、酸化パラジウム中に固溶する白金量に影響し、触媒活性と耐久性を左右する。ここでいう固溶とは、ある金属酸化物の結晶構造の中に他の原子が入り込んでも、もとの結晶構造を保持して、混じりあっている状態を指す。具体的には、酸化パラジウムの結晶構造の中に、白金原子が入り込んでも、酸化パラジウムの結晶構造を保持して、パラジウムと白金が混じりあっている状態を指す。本発明では白金の固溶によって、酸化パラジウムの耐久性が大幅に向上できた。また、固溶によって、結晶構造の格子の大きさがわずかに変化するが、これは例えば、粉末X線回折の測定において、結晶構造に起因する回折パターンは変化せず、格子の大きさに起因するピーク位置のみが変化することなどから確認することができる。
ところが、ルテニウム、イリジウム、チタンのうち少なくとも1種類の酸化物を含む被覆層は、化学的、物理的及び熱的にきわめて安定で、熱分解法による被覆形成工程において、塗布液による侵食や溶出、加熱による酸化や分解反応を起こすことがほとんど無い。そのため、その表面では、下地からの影響を何ら受けることなく、理想的な熱分解反応が進行できる。従って、白金を固溶した酸化パラジウムの均一な被覆を形成するためには、チタン基材表面にルテニウム、イリジウム、チタンのうち少なくとも1種類の酸化物を含む被覆層を予め設けておくことが好ましい。
熱分解の時間は、長い方が好ましいが、電極の生産性の点から1回当たりの熱分解時間は、5〜60分、さらに好ましくは10〜30分の範囲である。塗布・乾燥・熱分解焼成のサイクルを繰り返して、被覆を所定の厚みに形成する。さらに、被覆を形成した後に、必要に応じて、長時間焼成を行い、被覆の安定化を施すこともできる。
実施例及び比較例の各評価方法について、以下に示す。
<X線回折による結晶構造解析>
電極の結晶構造解析は、所定のサイズに切り出した試験電極を試料台に装着し、X線回折測定を行った。粉末X線回折を、装置としてUltraX18(株式会社リガク製)を用い、線源としては銅Kα線(λ=1.54184Å)を用いて行なった。加速電圧50kV、加速電流200mA、走査軸は2θ/θ、ステップ間隔0.02°、スキャンスピード2.0°/minにて、2θ=25〜50°の範囲を測定した。酸化パラジウム(PdO)の主回折線に対応する回折角(2θ)は33.89°であり、PdOへの白金の固溶はこの回折ピーク位置の変化から判断した。また、金属パラジウムの回折線に対応する回折角(2θ)は、40.11°及び46.66°、金属白金の回折線に対応する回折角(2θ)は、39.76°及び46.24°であり、これらの強度とピーク位置の変化から、金属パラジウム、金属白金、及びパラジウムと白金との合金の有無を判断した。その際、電極基材に用いた金属チタンの回折線に対応する回折角(2θ)は、40.17°であり、金属パラジウム及び金属白金の低角側の回折線と重なる点に注意が必要である。本評価方法では、切り出した試験電極をそのままX線回折測定に用いているため、基材の金属チタンに由来する回折線が比較的高い強度で検出された。そこで、金属パラジウムでは46.66°、金属白金では46.24°のそれぞれ広角側の回折線の強度とピーク位置の変化から、金属パラジウム、金属白金、及びパラジウムと白金の合金の有無を判断した。
試験電極を電解セル(95×110mm=1.045dm2)のサイズに切り出し、溶接によって陽極セルに装着した。陰極は、ニッケル製の金網基材の上に酸化ルテニウムの触媒被覆を行ったものを用い、陰極リブ上にコーティングを施していないニッケル製のエキスパンド基材を溶接した後、ニッケル製ワイヤーを編んだクッションマットを乗せ、その上に陰極を配置して陰極セルとした。EPDM(エチレンプロピレンジエン)製のゴムガスケットを用い、陽極セルと陰極セルの間にイオン交換膜をはさんだ状態で電気分解を行った。イオン交換膜としては、旭化成ケミカルズ製の食塩電解用の陽イオン交換膜「Aciplex」(登録商標)F6801を用いた。
前記のイオン交換膜食塩電解電解試験において、電流密度6kA/m2、陽極セル内の塩水濃度205g/L、陰極セル内のNaOH濃度32重量%、温度90℃で運転中に、試験電極側で発生した塩素ガスを、1時間、17%NaOH水溶液3.5リットルに通して吸収させ、以下に示す化学滴定法から求められた塩素ガス量と、残存ガスのガスクロマトグラフ法による分析から求められた酸素ガス量とを比較して、塩素ガス中酸素ガス濃度を算出した。
電解中の陽極側への供給塩水について、塩酸無添加の場合と、セル内のpHが2になるように塩酸を添加した場合とで、測定を実施した。
前記のイオン交換膜食塩電解試験において、陽極室に供給する塩水中に有機物を添加して、試験電極における陽極過電圧、電解電圧への影響をみた。有機物としては酢酸ナトリウムを用い、TOC(全有機体炭素)として20ppmになるように調整した塩水を陽極室に供給し、電流密度6kA/m2、陽極セル内の塩水濃度205g/L、陰極セル内のNaOH濃度32重量%、温度90℃で、24時間電解して安定した後の陽極過電圧、電解電圧を測定した。なお、前記のイオン交換膜法食塩電解試験においては、塩水中のTOC濃度は5ppm以下であった。
電極基材として、目開きの大きい方の寸法LWが6mm、目開きの小さい方の寸法SWが3mm、板厚1.0mmのチタン製のエキスパンド基材を大気中550℃で3時間焼成し、表面に酸化被膜を形成した。その後、平均粒径1mm以下のスチールグリッドを用いてブラストして、基材表面に凹凸を設けた。次に、基材を25重量%硫酸中において85℃で4時間酸処理を行い、基材表面に細かい凹凸を設けて、前処理を施した。
塗布液Bを、パラジウムと白金のモル比が1:1になるように調整した以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
塗布液Bを、パラジウムと白金のモル比が1:0.2になるように調整した以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
塗布液Bの塗布焼成を大気中にて500℃で10分間焼成とした以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
塗布液Bの塗布焼成を行わないこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定、有機物耐性試験を行った結果を表1〜3に示した。
塗布液Bとして、硝酸パラジウム水溶液(田中貴金属株式会社製、パラジウム濃度100g/L)を用いること以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1〜2に示した。
塗布液Aの塗布焼成による被覆層形成を行わずに、前処理を施した電極基材に直接、塗布液Bを塗布焼成を行った以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
イオン交換膜法食塩電解試験では、電流密度6kA/m2における電解電圧は、2.99V、塩素過電圧は0.042Vであり、ともに初期からの経時上昇傾向が認められた。
塗布液Aとして、ジニトロジアミン白金硝酸塩水溶液(田中貴金属株式会社製、白金濃度100g/L)を用い、大気中での焼成を500℃で10分間にすること以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。
この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
イオン交換膜法食塩電解試験では、電流密度6kA/m2における電解電圧は、3.13V、塩素過電圧は0.075Vであった。
塗布液Aとして、塩化白金酸(H2PtCl2・6H2O)10gと、ブチルアルコール75mlとを混合した溶液を用い、大気中での焼成を500℃で10分間にすることと、塗布液Bとして、塩化パラジウム(PdCl2)0.074g、塩化スズ(SnCl4・5H2O)2.822g、ブチルアルコール20ml、濃塩酸2mlとを混合した溶液を用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、電極を作製した。
この電極について、粉末X線回折測定を行った結果を図1に、イオン交換膜法食塩電解評価、塩素ガス中酸素ガス濃度測定を行った結果を表1に示した。
イオン交換膜法食塩電解試験では、電流密度6kA/m2における電解電圧は、3.08V、塩素過電圧は0.07Vであった。
Claims (4)
- 導電性基材上に、酸化パラジウム(PdO)および白金からなる電極触媒被覆層を最表面に有する電極であって、該酸化パラジウムが該白金を固溶していることを特徴とする電解用電極。
- 導電性基材に接して、ルテニウム、イリジウム、チタンのうち少なくとも1種類の酸化物を含む被覆層をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の電解用電極。
- 導電性基材上の最表面にパラジウム化合物及び白金化合物を含む溶液をコーティングした後、酸素の存在下で熱分解し、電極触媒被覆層を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の電解用電極の製造方法。
- 導電性基材上に直接、ルテニウム化合物、イリジウム化合物、チタン化合物のうち少なくとも1種類の化合物を含む溶液をコーティングした後、酸素の存在下で熱分解し、導電性基材に接する被覆層を予め形成することを特徴とする請求項3に記載の製造方法。
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