195679. lajstromszámú szabadalom • Elektród elektrokémiai folyamatokhoz, különösen halogének és alkálifém hidroxidok előállítására szolgáló elektrokémiai cellák részére és eljárás az elektród előállítására
1 105 679 A találmány tárgya elektrokémiai folyamatokban használtösszetett felépítésű, katalitikus hatású elektród, valamint eljárás az elektród előállítására. A javasolt elektród elektromosan vezető, ötvözött vagy tiszta vasból, nikkelből, rézből, kobaltból, ezüstből, illetve rozsdamentes acélból kialakított semleges fémes szubsztrátumot és ezen létrehozott elektrokatalitikus hatású oxidkerdinia anyagú külső bevonatot tartalmaz, ahol a külső bevonat anyagának felületi sűrűsége legalább 2 g/m2, míg az oxidkerdinia nitcnium, irídium, platina, palládium, ródium, kobalt, illetve ón közül legalább egy fém oxidjával vagy kevert oxidjával van kialakítva, mig a javasolt eljárásban kémiailag semleges anyagú fémes szubsztrátum felületére elektrokatalitikus tulajdonságú kerámia anyagból álló külső réteget készítünk. A találmány szerinti elektród elsősorban alkálifémek halogenidjeinek és különösen nátrium klorid elektrolízisére alkalmas, de segítségükkel más elektrokémiai folyamatok is vihetők. Az elektrokémiai folyamatokhoz használt elektródok hatásfoka és élettartama fontos gazdasági tényező. Különösen igaz ez a kausztikus szóda és klór esetében, amelyekből a piaci igény évente több millió tonna. Ha egy elektrokémiai cellában csak 50 mV-tal lehetne csökkenteni a cellafeszültséget, azzcl már igen jelentős energiamegtakarítás volna elérhető ugyanakkora mennyiségű gyártás mellett. A nátrium klorid elektrolizálása során, ahogy más elek trolit ikus folyamatokban is az elektrokémiai cella Feszültségében jelentős részt képvisel az elektródok polarizációja. Ez az adott elektrolitikus folyamat sajátos jellemzői mellett lényegében az elktród felületi viszonyaitól függ, ami annyit jelent, hogy alapvetően az elektródot borító anyagréteg kémiai fizikai tulajdonságai a meghatározók. F,z arra vezethető vissza, hogy az elektrokémiai reakciókban fontos szerep jut a felületet borító anyag krisztallográfiai jellemzőinek, továbbá felületi merevségének és finomságának. A kerámia anyagok között számosat találunk, amelyeknek iparilag kiaknázható elektrokatalitikus tulajdonságai vannak. Izek között fémoxidokat, kevert oxidokat, összetett oxidokat és más,fémből és oxigénből felépülő, az elektromos áramot vezető vegyületet találunk, mint amilyenek a perovszkitok, delafosszitok, a spinéi!—vegyületek, a bronzok, stb. Az említett anyagok közül a leggyakrabban használtak az oxidok és a kevert oxidok, s közülük is azok, amelyek legalább egy nemesfém, mint platina, irídium, ródium, ruténium és palládium oxidját tartalmazzák. Az elektrokatalitikus jellemzőket anódok kialakításához veszik igénybe, amikor is egyenirányító fém, például titán alapra elektrokatalitikus anódbevonatot visznek fel. Az egyenirányító femek, mint titán, cirkónium, tantál és hafnium, valamint ezek ötvözetei igen alkalmasak anód kialakítására, ezzel szemben belőlük katódot készíteni nem szabad, mivel az atomi hidrogén ez az elektrolízis folyamatában a kálódon válik ki - behatol belsejükbe és így fémlndrid képződik. Ismeretesek olyan próbálkozások, hogy a katalitikus tulajdonságú kerámia anyagot, tehát például egy nemesfém oxidját nem egyenirányító fém, mint acél, rozsdamentes acél, kobalt, nikkel, réz és ezek ötvozeteine'k félti létére vigyék fel borításként. Mindezidáig ezekből a próbálkozásokból ipari alkalmazású megoldások nem sz.ületlek, mivel a kerámia bevonat ezeknek a fémeknek az oxidjaihoz igen rosszul tapad. További problémát jelent, bogy a kerámia szerkezetű oxidbevonatok készítéséhez nemesfémek esetében a nagy hőmérsékletű termikus felbontás módszerét kell alkalmazni, amikoris a fém vagy férnék hő hatására felbomló oxidját égetik be a szubsztrátum felületébe, cs ez a nem egyenirányító fémek esetében nehezen vagy egyáltalában nem kivitelezhető. A nem egyenirányító fémek, tehát a vas, a nikkel és a réz, továbbá ezek ötvözetei cs az acélok a termikus felbontás folyamatában különösen oxigént tartalmazó környezetben, így levegőben erőteljesen oxidálódnak. Tzek az oxidok a katalitikus tulajdonságú keramikus oxidokkal általában nem összeférhetök esnem is keverhetők. Az affinitásnak ez a hiánya okozza, hogy a katalitikus bevonat alig tapad az ilyen anyagú szuhs/.trátumra. Ezen túlmenően az egyenirányító fémek oxidjaitól eltérőén, ezeknek a fémeknek az oxidjai rosszul, vagy gyakorlatilag egyáltalában nem tapadnak magához a fémhez. A primer adhézió hiánya, vagyis az a tény, hogy az oxidok az elektród előkészítésének folyamatában nem tapadnak az. alaphoz., csak a problémák egyik forrását jelenti. A nem egyenirányító fémek közül a legfontosabbak oxidjai többségükben instabilak, könnyen redukálódnak vagy tovább oxidálódnak, ha a feltételek ehhez kialakulnak, és ezen túlmenően a katalitikus tulajdonságú kerámia anyagoktól eltérően ezek az oxidok általában szigetelő tulajdonságúak vagy legalábbis nagyon rosszul vezetik az elektromos áramot. A primer adhézió elegendően magas szintjét általában biztosítani lehet a felület dörzsölésével, durvává tételevei, amihez mechanikai vagy más eljárások alkalmazhatok. A katalitikus tulajdonságú kerámia bevonatok különleges eljárással, például plazmasugaras Icrakatással készült felülettel ellátott szubs/trátumon is kialakíthatók. Ebben az esetben is - bár a kezdeti tapadás adott - az előkészített bevonat igen gyorsan degradálódik az elektród működése során, anyaga lepusztul, leválik a szubsztrátum felületéről. Ennek megfelelően az elektród polarizációs feszültsége nem egyenirányító fémből készült szubsztrátum alkalmazása során folyamatosan növekszik az elektrolitík is cellában. További problémát jelent az is, hogy az erőteljes gázfejlődésscl, így például hidrogén keletkezésével járó elektrolitikus folyamatok során a katalitikus bevonat ndkrorepedéseibe és pórusaiba a gáz behatol és igen rövid idő alatt, az iparban általában elfogadhatatlanul gyorsan a katalitikus tulajdonságú bevonatot tönkreteszi. A fentiekben vázolt nehézségek miatt az elektrokémiai cellákban alkalmazott katódok katalitikus bevoir óiűt az ipar: alkalmazásokban olyan katalitikus anyagokból készítik, amelyek a termikus eljárásokkal készített fémoxidoktól eltérnek. Szokásosan katódbe vor áthoz megfelelő nikkelötvözcíből, nikkel -szulfidból, nemesfémből, nikkelből vagy vasból gaivanikus úton vagy plazmasugaras Icrakatással, esetleg más alkalmas eljárással porózus réteget készítenek, amivel a katod hatásos felülete megnövelhető. Az említett bevonatok ugyan lényegüket tekintve katalitikus hatásúnknak tarthatók, de tulajdonképpen „mérgezettek”, mivel tulajdonságaikat az elektrolitban jelen levő szennyezések lerontják. Ezek a katalitikus bevonatok igen hatékonyan fogják be a szennyezéseket és különösen a vasat, amely minden elektrolitban elkerüihe-2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
