NL193665C

NL193665C - Zuurstofgenererende elektrode.

Info

Publication number: NL193665C
Application number: NL9002829A
Authority: NL
Original assignee: Tdk Corp
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 2000-06-06
Also published as: KR910012340A; US5098546A; CN1024570C; NL193665B; KR920010101B1; HK1007336A1; JP2713788B2; GB9027731D0; FR2656337B1; GB2239260A; CN1052708A; GB2239260B; NL9002829A; JPH03193889A; FR2656337A1

Description

1 133665

Zuurstofgenererende elektrode

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een nieuwe zuurstofgenererende elektrode. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een elektrode met een uitstekende duurzaamheid en een laag 5 zuurstofovervoltage voor het genereren van zuurstof door het elektrolytisch oxideren van een waterige oplossing op een anode.

De uitvinders hebben eerder een verbeterde zuurstofgenererende elektrode voorgesteld waarvan het geleidend substraat bijvoorbeeld een titaanmetaal is dat voorzien is van een onderlaag, welke samengesteld is uit iridiumoxide en tantaaloxide in een specifieke molverhouding, en een deklaag van iridiumoxide, welke 10 daarop gevormd is (zie Japanese Patent Kokai 63-235493). De elektrode van dit type heeft een dubbel-laagse bekleding maar is niet helemaal bevredigend voor wat betreft het zuurstofovervoltage dat niet voldoende laag kan zijn, bij voorkeur 400 MV of lager, hoewel wel een verbetering in de duurzaamheid van de elektrode bereikt kan worden. Verder hebben de uitvindings een elektrode voorgesteld met een temaire samengestelde bekledingslaag van iridiumoxide, terwijl tantaaloxide en platina, welke in een specifieke 15 molverhouding gevormd is op een geleidend substraat (zie Japanese Patent Kokai 1-301876). De prestatie van de elektrode van dit type is inderdaad superieur aan die van de bovenbeschreven elektrode met een dubbelgelaagde bekleding en zou bevredigend zijn, ware het niet dat platina duur is.

Dienovereenkomstig is het een belangrijk technisch probleem in de elektrodevervaardigingstechnologie een elektrode die bruikbaar is in een zuurstofgenererend elektrolytisch proces te ontwikkelen, welke in 20 verschillende processen zonder de bovengenoemde nadelen toepasbaar is.

Samenvatting van de uitvinding

Het doel van de onderhavige uitvinding is derhalve een nieuwe en verbeterde elektrode te verschaffen, die geschikt is voor het gebruik in een zuurstofgenererend elektrolytisch proces en welke vrij is van de 25 bovenbeschreven problemen en nadelen van de elektroden volgens de stand der techniek. Meer in het bijzonder is het doel van de onderhavige uitvinding een elektrode te verschaffen die gevormd is van een geleidend metalen substraat, zoals titaan, en voorzien is van een bekledingslaag die in hoofdzaak bestaat uit iridiumoxide en tantaaloxide.

De elektrode volgens de onderhavige uitvinding die geschikt is voor het gebruik in een zuurstof-30 genererend elektrolytisch proces is een integraal lichaam, dat omvat: A. een geleidend substraat, gemaakt van metaal; en B. een meervoudige bekledingslaag op het oppervlak van het substraat, welke meervoudige bekledingslaag bestaat uit ten minste één laag van een eerste type bestaande uit iridiumoxide en tantaaloxide en ten minste één laag van een tweede type bestaande uit minder dan 20% tantaaloxide en meer dan 80% 35 iridiumoxide, waabrij de lagen afwisselend op elkaar gelegd zijn onder de voorwaarde dat de onderste laag, welke in contact staat met het substraatoppervlak, van het eerste type is, waarbij van de gevraagde elektrode de laag van het eerste type een compositieoxidesamenstelling heeft van 40 tot 79,9 molprocent, bij voorkeur 50 tot 75 molprocent, betrokken op het metaal, iridiumoxide, en van 60 tot 20,1 molprocent, bij voorkeur 50 tot 25 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide, en de laag van het tweede type een 40 composietoxidesamenstelling heeft van 80 tot 95,0 molprocent, bij voorkeur 85 tot 90 molprocent, betrokken op het metaal, iridiumoxide en van 20 tot 5 molprocent, bij voorkeur 15 tot 10 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide.

Naast de voordelen in zuurstofovervoltage en duurzaamheid, die verkregen worden bij de boven gedefinieerde elektrode wordt een extra voordeel verkregen met betrekking tot de adhesie van de 45 bekledingslaag aan het substraatoppervlak wanneer de meervoudige bekledingslaag ten minste twee lagen van het eerste type of elk ten minste twee van de eerste typen laag en de tweede type laag heeft.

Gedetailleerde beschrijving van de uitvoeringsvormen

Zoals boven beschreven heeft de elektrode volgens de uitvinding een basisstructuur waarin een geleidend 50 substraat van metaal, zoals titaan, voorzien is van een meervoudige bekledingslaag die bestaat uit ten minste één laag van het eerste type en ten minste één laag van het tweede type, waarbij elke laag een gespecificeerde composietoxide samenstelling heeft die afwijkend is van de ander en bestaat uit iridiumoxide en tantaanoxide en, waarbij de eerste typen lagen en de tweede typen lagen afwisselend op elkaar gelegd zijn, onder de voorwaarde dat de onderste laag die in contact staat met het substraatoppervlak van 55 het eerste type is. Een dergelijke meervoudige gelaagde structuur van de bekledingslaag is voordelig in de verbeterde elektrodeprestatie voor zuurstofontwikkeling en in de toenemende duurzaamheid van de elektrode vergeleken met een enkele bekledingslaag uit iridium- en tantaaloxiden, welke enkele bekledings- 193665 2 laag het nadeel heeft dat het zuurstofovervoltage geleidelijk toeneemt wanneer elektrolyse uitgevoerd wordt.

In de vervaardiging van de elektrode volgens de uitvinding wordt een geleidend substraat eerst behandeld met een bekledingsoplossing voor de onderste laag, welke van het eerste type is, hierna typa A te noemen, omvattende iridium en tantaal elk in de vorm van een oplosbare verbinding, gevolgd door een 5 warmtebehandeling in een oxiderende omgeving voor het effectueren van thermische decompositie van de respectieve metaalverbindingen tot een oxidecomposiet van de metalen, bestaande uit 40 tot 79,9 molprocent, bij voorkeur 50 tot 75 molprocent, voor wat betreft het metaal, iridiumoxide en 60 tot 20,1 molprocent, bij voorkeur 50 tot 25 molprocent, voor wat betreft het metaal, tantaaloxide. Het elektrode-lichaam, dat voorzien is van de onderste bekledingslaag van het type A wordt dan behandeld met een 10 andere bekledingsoplossing welke iridium en tantaal bevat, elk in de vorm van een oplosbare verbinding de verhouding voor de tweede laag, welke van het tweede type is, hierna type B te noemen, gevolgd door een warmtebehandeling in een oxiderende omgeving, voor het effectueren van de thermische decompositie van de respectieve metaalverbindingen tot een oxidecomposiet van de metalen, bestaande uit 80 tot 95 molprocent, bij voorkeur 85 tot 90 molprocent, voor wat betreft het metaal, iridiumoxide en 20 tot 5 15 molprocent, bij voorkeur 15 tot 10 molprocent, voor wat betreft het metaal, tantaaloxide. In de bovenbeschreven procedures voor het behandelen van het oppervlak met de bekledingsoplossing voor de type A-of type B-laag, gevolgd door het bakken, teneinde een composietoxidelaag te vormen, kan, indien gewenst, enige malen herhaald worden, teneinde een meervoudige bekledingslaag te vormen die bestaat uit ten minste twee lagen van het type A en ten minste twee van het type B welke afwisselend op elkaar gelegd 20 zijn. De toplaag van de meervoudige bekledingslaag kan ofwel het type A ofwel het type B zijn.

Het metaal dat het geleidend substraat van de elektrode volgens de uitvinding vormt, wordt geselecteerd uit klepmetalen, zoals titaan, tantaal, zirkonium, niobium en dergelijke. Deze metalen kunnen ofwel enkelvoudig gebruikt worden of in de vorm van een legering van twee of meer soorten overeenkomstig de noodzaak. De voorkeur gaat uit naar titaan.

25 De onderste laag van de meervoudige bekledingslaag, die in contact staat met het substraatoppervlak, is van het type A, waarvan de moiverhouding van iridiumoxide en tantaaloxide binnen het boven gespecificeerde gebied ligt. Bij voorkeur zou de molhoeveelheid van iridiumoxide relatief klein moeten zijn binnen het gebied, hoewel een overdreven groot aandeel van tantaaloxide een nadelige toename in zuurstofovervoltage zou kunnen veroorzaken. De bekledingshoeveelheid van deze onderste laag van de samenstelling 30 van het eerste type zou in het gebied van 0,05 tot 3,0 mg/cm2 moeten zijn voor wat betreft het iridium-metaal.

De tweede laag, die op de bovengenoemde onderlaag wordt aangebracht, voor het vormen van een meervoudige bekledingslaag, is van het type B, waarvan de moiverhouding van iridiumoxide en tantaaloxide eveneens binnen het boven gespecificeerde gebied ligt. Bij voorkeur zou de moiverhouding van iridiumoxide 35 relatief groot moeten zijn binnen het bereik, hoewel een overdreven groot deel daarvan het nadeel zou kunnen hebben dat de adhesie van de bekledingslaag afneemt.

De bekledingshoeveelheid van deze tweede laag van het type B ligt bij voorkeur in het gebied van 0,01 tot 7 mg/cm2, berekend als iridiummetaal. Wanneer de bekledingshoeveelheid daarvan te klein is, kan verbruik van de elektrode in het elektrolytisch proces overmatig toenemen, waardoor een afname in de 40 duurzaamheid van de elektrode veroorzaakt wordt.

Hoewel de meervoudige bekledingslaag in hoofdzaak is samengesteld uit een type A-Iaag, welke de onderste laag is, en een type B-laag, welke een dubbelgelaagde structuur vormt, is het mogelijk dat de meervoudige bekledingslaag uit 3 of meer van de lagen bestaat in een afwisselende volgorde van type A, type B, type A, type B en zo verder door het herhalen van de bekledings- en bakbehandeling. De bovenste 45 laag kan ofwel van type A ofwel van type B zijn. Hen dergelijke meervoudige afwisselende herhaling van de type A en type B-lagen heeft het voordeel van een toenemende adhesieve sterkte van de bekledingslaag en een afname van het verbruik van de elektrode in het elektrolytisch proces, hetgeen bijdraagt aan de verbetering van de duurzaamheid van de elektrode.

De bekledingsoplossing voor het vormen van de lagen van de typen A en B wordt bereid door het in een 50 geschikt oplosmiddel oplossen van verbindingen van iridium en tantaal, elk in een bepaalde concentratie.

De metaalverbindingen moeten oplosbaar zijn in het oplosmiddel en uit elkaar vallen bij een verhoogde baktemperatuur voor het vormen van een oxide van de respectieve metalen. Voorbeelden van metaalverbindingen omvatten chlooriridinezuur H2lrC16.6H20, iridiumchloride lrC14 en dergelijke als het bronmetaal van iridiumoxide en tantaalhalogeniden, bijvoorbeeld tantaalfluoride TaC15, tantaalethoxide, en dergelijke, 55 als het bronmateriaal voor tantaaloxide. De verhouding van deze twee soorten metaalverbindingen moet gekozen worden afhankelijk van de gewenste moiverhouding van de metaaloxides, die door thermische decompositie van de verbindingen geproduceerd worden, voor het vormen van een laag en de verhouding 3 193665 in de bekledingsoplossing kan ongeveer dezelfde zijn als in de composietoxidelaag die daarvan gevormd wordt hoewel rekening gehouden moet worden met een mogelijk verlies van bepaalde metaalverbindingen door verdamping in de loop van de bakbehandeling, dat kan oplopen tot een aantal procenten van de inhoud van de bekledingsoplossing, afhankelijk van de bakcondities. Het elektrodelichaam dat bekleed is 5 met de bekledingsoplossing wordt gedroogd en dan in een oxiderende omgeving, die zuurstof bevat, zoals lucht, onderworpen aan een warmtebehandeling voor het bakken. De bakbehandeling wordt uitgevoerd gedurende 1 tot 60 minuten bij een temperatuur in het bereik van 400 tot 550°C voor het volledige uiteenvallen en oxideren van de metaalverbindingen. De omgeving voor de bakbehandeling moet volledig oxiderend zijn omdat een onvolledige geoxideerde bekledingslaag het iridium of tantaalmetaal in zijn vrije 10 metallische toestand kan bevatten, hetgeen resulteert in een afname in de duurzaamheid van de elektroden. Wanneer na een enkele bekledingsbehandeling gevolgd door bakken geen laag met een gewenste dikte ontstaat, moet het proces een aantal malen herhaald worden totdat de bekledingshoeveelheid van de laag een gewenste waarde bereikt. Deze procedures zijn in hoofdzaak hetzelfde voor de type A bekledingslagen en voor de type B bekledingslagen, behalve dat de formulering van de bekledingsoplossingen verschillend 15 moeten zijn overeenkomstig de gewenste iridium:tantaal-molverhouding in de lagen van het composietoxide dat door thermische decompositie gevormd wordt.

Wanneer op de juiste wijze vervaardigd volgens de hierboven gegeven beschrijving, kan de elektrode volgens de uitvinding gebruikt worden als anode in een zuurstofgenererende elektrolyse, waarbij de elektrode een buitengewoon lang leven heeft bij een laag celvoltage of een in belangrijke mate verbeterd 20 leven bij een hoge stroomdichtheid van 100 A/dm2 of meer met een kleine toename in het zuurstofover-voltage bij een lange looptijd van een continu elektrolytisch proces.

In het volgende worden voorbeelden en vergelijkingsvoorbeelden gegeven voor het meer in detail illustreren van de elektrode volgens de uitvinding en de werkwijze voor de vervaardiging daarvan. De omvang van de uitvinding wordt hierdoor echter op generlei wijze begrensd. In elk van de volgende 25 voorbeelden en vergelijkingsvoorbeelden werd de elektrode, die vervaardigd werd volgens de hieronder beschreven procedures, onderworpen aan evaluatietests voor zuurstofovervoltage, toename in de zuurstof-overvoltage gedurende het tijdverloop in een continue elektrolyse en duurzaamheid en mechanische stabiliteit van de bekledingslaag.

30 Zuurstofovervoltage

Het zuurstofovervoltage werd bepaald door de voltage meetmethode bij 30°C in een 1 M waterige oplossing van zwavelzuur bij een stroomdichtheid van 20 A/dm2.

Etektrodeduurzaamheid 35 Elektrolyse werd uitgevoerd met de elektrode als de anode en een platinaelektrode als de kathode in een 1 M waterige oplossing van zwavelzuur bij 60°C en een stroomdichtheid van 200 A/dm2 op de anode totdat de elektrolyse niet langer verder kon gaan door een overmatige toename van het celvoltage, welke aan het begin ongeveer 5 Volt was, tot boven 10 Volt. De resultaten werden uitgedrukt in vier gradaties: "uitstekend” voor een leven van ten minste 3000 uur; "goed” voor een leven van 2000 tot 3000 uur; "redelijk” 40 voor een leven van 1000 tot 2000 uur en "slecht” voor een leven van 1000 uur of korter.

Toename van zuurstofovervoltage bij voortdurende elektrolyse

Elektrolyse werd uitgevoerd gedurende 1000 uur onder dezelfde condities als in de boven beschreven duurzaamheidtest en de elektrode werd onderworpen aan een bepaling van het zuurstofovervoltage voor 45 het registreren van de toename daarvan vanaf de beginwaarde. De resultaten werden uitgedrukt in drie gradaties: "goed” voor een toename die 0,3 Volt niet overschreed; "redelijk” voor een toename van 0,3 tot 0,7 Volt; en "slecht” voor een toename van 0,7 Volt of meer.

Mechanische stabiliteit van de bekledingslaag 50 Elektrolyse met gebruikmaking van de elektrode werd gedurende 1000 uur uitgevoerd op dezelfde wijze als in de boven beschreven duurzaamheidstest en vervolgens werd de gedroogde elektrode onderworpen aan een ultrasone vibratietest gedurende 5 minuten waardoor het opperviaktedeel van de bekledingslaag eraf valt, hetgeen resulteerde in een afname in de dikte van de laag. De afname in de hoeveelheid iridium als metaal per eenheid oppervlakte van de bekledingslaag werd vastgesteld door middel van fluorescentie-55 röntgenanalyse. De resultaten werden geregistreerd in drie gradaties van goed, redelijk en slecht, wanneer de afname in de hoeveelheid iridium vanaf de beginwaarde resp. minder dan 5%, 5% tot 10% en meer dan 10% was.

193665 4

Experiment 1 (Experimenten nr. 1 tot nr. 12)

Verschillende bekledingsoplossingen werden bereid, elk door het oplossen van chlooriridinezuur en tantaalethoxide in n-butylalcohol in verschillende molaire verhoudingen. De concentratie van deze twee metaalverbindingen in de bekledingsoplossing was steeds groter dan 80 g/liter als totaal van iridium en 5 tantaalmetalen.

Een titaansubstraat werd na etsen met een waterige hete oxaalzuuroplossing met een borstel behandeld met één van de boven beschreven bekledingsoplossingen, volgens een recept dat overeenkomt met iridium:tantaalmolverhouding in de composietoxidelaag, die gevormd wordt door bakken, zoals staat aangegeven in tabel 1 hieronder, voor een laag van het eerste type en werd vervolgens gedroogd en 10 gebakken in een elektrische oven bij 500°C gedurende 7 minuten onder een stroom lucht, teneinde een composietoxidelaag te vormen. Deze procedure van behandelen met de oplossing, drogen en bakken werd een aantal malen herhaald totdat de bekledingshoeveelheid ten minste 0,2 mg/cm2 in experimenten nr. 1 tot 5, nr. 11 en nr. 12 en ten minste 0,4 mg/cm2 in experimenten nr. 6 tot nr. 10 was, berekend als iridium-metaal.

15 In de experimenten nr. 1 tot nr. 5 die voor de uitvinding werden uitgevoerd, had de op deze wijze gevormde oxidelaag een iridium.tantaalmolverhouding in het gebied van 50:50 tot 75:25, terwijl in experimenten nr. 6 tot nr. 12, welke uitgevoerd werden voor vergelijking, de iridium:tantaalmolverhouding gevarieerd werd in een ruimer gebied van 100:0 tot 0:100 door het weglaten van de tantaalverbinding of iridiumverbinding in resp. de experimenten nr. 6 en nr. 12.

20 De elektrodelichamen vervaardigd in de experimenten nr. 6 tot nr. 10, welke voorzien zijn van een enkele oxidelaag van het eerste type, dat gevormd werd op de boven beschreven wijze, werden als zodanig onderworpen aan de evaluatietest, terwijl de elektrodelichamen vervaardigd in de experimenten nr. 1 tot nr. 5, nr. 11 en nr. 12 elk voorzien werden van een deklaag composietoxide van iridiumoxide en tantaaloxide van het tweede type door 7 maal herhaling van de bekleding-, droog- en bakbehandeling op dezelfde maal 25 als boven, behalve dat het recept van de bekledingsoplossing, zoals aangegeven in tabel 1, verschillend was van die welke gebruikt werd voor het eerste type bekledingslaag. De bekledingshoeveelheid van de tweede bekledingslaag was ongeveer 0,4 mg:cm2 of groter, berekend als iridium metaal.

Tabel 1 geeft een overzicht van de iridium:tantaal (lr:Ta) molverhoudingen in de oxidecomposieten, welke de eerste en tweede type beledingslaag in elk experiment vormen, evenals de resultaten van de evaluatie-30 test voor de beginwaarde van het zuurstofovervoltage, de toename van het zuurstofovervoltage in de continue elektrolyse en de duurzaamheid van de elektrode samen.

Expe- Eerste type Tweede type Zuurstofover- Toename van Elektrode- riment bekledingslaag bekledingslaag voltage mV zuurstofover- duurzaamheid 35 nr. lr:Ta in lr:Ta in voltage in molverhouding moiverhouding continue elektrolyse I 50:50 85:15 385 goed uitstekend 40 2 60:40 85:15 385 goed uitstekend 3 60:40 90:10 390 goed uitstekend 4 70:30 90:10 395 goed uitstekend 5 75:25 90:10 395 goed uitstekend 6 100:0 430 redelijk redelijk 45 7 70:30 410 redelijk goed 8 60:40 405 redelijk goed 9 50:50 405 redelijk redelijk 10 30:70 450 slecht slecht II 30:70 60:40 430 redelijk redelijk 50 12 100:0 70:30 420 redelijk redelijk

Voorbeeld 2 (Experimenten nr. 13 tot nr. 22)

Hetzelfde titaanelektrodesubstraat, zoals gebruikt in voorbeeld 1, werd in elk van de experimenten voorzien van een meervoudige bekledingslaag, welke samengesteld is uit ten minste twee en maximaal zeven 55 bekledingslagen van het type A en type B, welke afwisselend op elkaar gelegd werden. Tabel 2 hieronder geeft de iridium:tantaalmolverhoudingen in de respectieve oxidecomposieten welke in elk experiment de type A en type B lagen vormen. Tabel 2 geeft eveneens het totale aantal van de type A en B bekledings-

Claims

5 193665 lagen op de elektrode in elk van de experimenten. Wanneer het totale aantal van de lagen een oneven nummer is de bovenlaag van het type A en wanneer het totale aantal van de lagen een even nummer is is de bovenlaag van het type B, aangezien de onderlaag altijd van het type A is. De resultaten van de evaluatietests, die uitgevoerd werden met deze elektroden, zijn getoond in tabel 2. 5 -—- Expe- Type A Type B Totaal Zuurstof- Toename Elektrode- Mechani- riment bekledings- bekledings- aantal over- van zuur- duurzaam- sche nr. laag lr:Ta laag lr:Ta bekledings- voltage stofover- heid stabiliteit in mol- in mol- lagen in mV voltage van de 10 verhou- verhou- van type in voort- bekledings- ding ding A en durende laag type B elektro lyse 15 13 60:40 85:15 3 385 goed uitstekend goed 14 60:40 85:15 4 390 goed uitstekend goed 15 60:40 85:15 4 385 goed uitstekend goed 16 60:40 85:15 7 385 goed uitstekend goed 17 50:50 85:15 4 385 goed uitstekend goed 20 18 70:30 90:10 4 390 goed uitstekend goed 19 75:25 90:10 4 395 goed uitstekend goed 20 75:25 90:10 2 395 goed uitstekend redelijk 21 30:70 60:40 4 430 redelijk redelijk goed 22 70:30 100:0 2 430 goed uit stekend redelijk 25 -

1. Elektrode voor gebruik in een zuurstofgenererend elektrolytisch proces, gevormd door een integraal lichaam, dat omvat: a. een geleidend substraat, gemaakt van metaal; en b. een meervoudige bekledingslaag op het oppervlak van het substraat, welke meervoudige bekleding-slaag bestaat uit ten minste één laag van een eerste type bestaande uit iridiumoxide en tantaaloxide en 35 ten minste één laag van een tweede type bestaande uit minder dan 20% tantaaloxide en meer dan 80% iridiumoxide, waarbij de lagen afwisselend op elkaar gelegd zijn onder de voorwaarde dat de onderste laag, welke in contact staat met het substraatoppervlak, van het eerste type is met het kenmerk dat de laag van het eerste type een compositieoxidesamenstelling heeft van 40 tot 79,9 molprocent, betrokken op het metaal, iridiumoxide, en van 60 tot 20,1 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide, en de 40 laag van het tweede type een composietoxidesamenstelling heeft van 80 tot 95,0 molprocent, betrokken op het metaal, iridiumoxide en van 20 tot 5 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide.

2. Elektrode volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de laag van het eerste type een composietoxidesamenstelling heeft van 50 tot 75 molprocent, betrokken op het metaal, iridiumoxide, en van 50 tot 25 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide, en de laag van het tweede type een composietoxidesa-45 menstelling heeft van 85 tot 90 molprocent betrokken op het metaal, iridiumoxide en van 15 tot 10 molprocent, betrokken op het metaal, tantaaloxide.