СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к технической электрохимии, а именно к способу изготовления активированных электродов для электролитического получения водорода и кислорода в электролизерах со щелочным электролитом.

Известен способ изготовления электрода, используемого в щелочном электролизе воды, включающий нанесение на металлическую подложку порошка, содержащего никель и алюминий, с последующим удалением алюминия выщелачиванием, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности электрода при сохранении его электрохимической активности, в процессе используют порошок, дополнительно содержащий нерастворимый в щелочи алюминид никеля формулы NiAl в количестве 2-5 мас.% [Патент №1251582 от 13.08.84. С25В 11/04. Опубл. 10.05.95. Бюл. №13. Способ приготовления электрода, используемого в щелочном электролизе воды. Авторы: Белокопытов В.П., Лапин Я.С., Наумов И.П., Паньков В.И., Преснов А.П., Пшеничников А.Г., Чернышев С.Ф., Родионов В.В., Рогов Н.В.]. Известный способ позволяет формировать на поверхности подложки поверхностно-скелетный катализатор, прочно связанный с никелевой основой. Известный способ, однако, не обеспечивает необходимой активности анода при щелочном электролизе воды и, кроме того, в процессе работы такого анода из его объема происходит постепенное удаление алюминия, что может приводить к разрушению электрода.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления электродов для электрохимических процессов, используемого в щелочном электролизе воды, включающий использование травильного раствора на основе Na₂S в количестве 10-20 г/л и H₂SO₄ в количестве, соответствующем рН 3,5, при температуре 20-30°С в течение 8-21 часа [Крюков Ю.И., Петренко Е.М. RU 2405864 С1, С25В 11/04. Опубл. 10.12.2010. Бюл. №13]. Способ изготовления электрода для электрохимических процессов (прототип). На активированном таким образом электроде при плотности тока 4 кА/м² потенциал катода в 6 М КОН при 70°С составляет -0,11 В (отн. О.В.Э.) относительно обратимого водородного электрода сравнения. Недостатком изобретения является использование серной кислоты и недостаточно высокая удельная поверхность и активность получаемых катализаторов.

Техническая задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в повышении активности электрода в процессе выделения водорода в щелочном растворе электролита при электролизе воды, а также в упрощении и удешевлении способа изготовления электрода путем проведения процесса без использования серной кислоты, за счет ее замены в травильном растворе солью хлорида алюминия.

Технический эффект, используемый при решении поставленной технической задачи, заключающийся в создании высокодисперсной композиции на основе гидроксида алюминия катализатора на основе серы, которая дополнительно может быть активирована восстановлением в атмосфере водорода, достигается тем, что в известном способе изготовления электродов для электрохимических процессов, в частности для электролиза щелочных растворов электролита, включающем нанесение на никелевую подложку активного слоя на основе никеля и серы за счет ее однократного погружения в раствор, содержащий сульфид натрия, согласно изобретению нанесение ведут в травильном растворе, содержащем хлорид алюминия AlCl₃ с концентрацией 5-20 г/л в течение 1-17 часов.

Кроме того, с целью дополнительного повышения активности электрода, проводят его последующую обработку в атмосфере водорода при температуре 240-600°С в течение 15-60 минут.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе, заключающемся в использовании травильного раствора на основе сульфида серы (Na₂S) вместо серной кислоты вводят соль хлорида алюминия (AlCl₃) в концентрации 5-20 г/л. Благодаря травлению никеля в растворе такого состава, на его поверхности создается высокодисперсная композиция на основе гидроксида алюминия и катализатора серы, которая дополнительно может быть активирована восстановлением в атмосфере водорода при температурах 240-600°С в течение 15-60 минут.

Пример. В качестве основы для нанесения катализатора использовали никелевый бипористый электрод, полученный методом прессования через валки смеси частиц карбонильного никеля размером 4-6 мкм и 20% по массе частиц порообразователя с размером частиц 20-30 мкм с последующей термообработкой в водородной печи. Активирование данного электрода проводили путем его однократного погружения и выдержки при комнатной температуре в травильном растворе следующего состава: 10 г/л треххлористого алюминия (AlCl₃) и 10 г/л сульфида натрия (Na₂S). При введении в воду хлорида алюминия происходит его гидролиз с образованием соляной кислоты (подкисления раствора) и гидроксохлоридов алюминия и алюминидов никеля на поверхности никелевой основы.

В процессе травления никелевой основы на поверхности основы образуется высокодисперсный каталитический осадок на основе алюминатов никеля и серы. Оценку электрохимической активности активированного электрода производят путем измерения потенциала электрода при плотности тока 4 кА/м² при температуре 70°С в 6М растворе КОН. Потенциал катода при электролизе воды в щелочном растворе электролита в данных условиях составил значение Ек=-0,10 В (отн. О.В.Э.).

Аналогичным образом готовят и испытывают электроды с различными значениями концентрации хлорида алюминия в травильном растворе, различными значениями продолжительности времени травления (активации), (τ_актив, час), а также параметрами термической обработки электродов в водородной печи: температура термообработки - Т_{термоб.,} °С; время термообработки - τ_{термооб.}, мин). Результаты испытаний активности электродов, изготовленных по предлагаемому способу и известному способу (прототипу) приведены в тексте и таблицах 1-4.

Из данных таблицы 1 следует, что наилучшие результаты получаются при концентрации от 5 до 20 г/л, т.к. в этом интервале концентраций значение катодного потенциала электрода при электролизе щелочного электролита имеет минимальное значение.

Из данных таблицы 2 следует, что оптимальное время активации (τ_{активации}) составляет от 1 до 17 часов, т.к. при активации (травлении) в этом временном интервале при заданной концентрации раствора значение катодного потенциала электрода при электролизе щелочного электролита имеет минимальное значение.

Из данных таблицы 3 следует, что оптимальная температура обработки активированного электрода (Т_{термообработки}°С) составляет от 240 до 600°С, т.к. в этом интервале температур при заданных параметрах активации и заданном времени термообработки значение катодного потенциала электрода при электролизе щелочного электролита имеет минимальное значение.

Из данных таблицы 4 следует, что оптимальное время термообработки активированного электрода составляет от 15 до 60 минут, т.к. в этом временном интервале термическая обработка электродов в водородной печи при заданных параметрах дает значение катодного потенциала электрода при электролизе щелочного электролита минимальное значение.

Таким образом, техническая задача, решаемая предлагаемым способом, состоит в повышении активности электрода в процессе выделения водорода в щелочном растворе электролита при электролизе воды, также в упрощении и удешевлении способа изготовления электрода путем проведения процесса без использования серной кислоты, за счет ее замены в травильном растворе солью хлорида алюминия.

Источники информации

1. Патент №1251582 от 13.08.84. С25В 11/04. Опубл. 10.05.95. Бюл. №13. Способ приготовления электрода, используемого в щелочном электролизе воды. Авторы: Белокопытов В.П., Лапин Я.С., Наумов И.П., Паньков В.И., Преснов А.П., Пшеничников А.Г., Чернышев С.Ф., Родионов В.В., Рогов Н.В.

2. RU 2405864 С1, С25В 11/04. Опубл. 10.12.2010. Бюл. №13. Способ изготовления электрода для электрохимических процессов. Авторы. Крюков Ю.И., Петренко Е.М.