СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
METHOD OF ELECTRODE PRODUCTION FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSES

Изобретение относится к области технической электрохимии, а именно к способам изготовления электродов для электролиза щелочных растворов.
Известен способ электрохимического активирования электродов непосредственно в электролизере в растворе соли никеля с добавлением роданистого аммония и уротропина [Э.С.Митауэр, Б.Н.Заманский, Н.Н.Фесенко. Авторское свид. СССР №170473, «Открытия, изобретения», 1965, №9].
Недостатком этого способа является необходимость нагрева электролита до 50°С, т.е. дополнительный расход тепловой энергии. Кроме того, роданистый аммоний и уротропин являются дефицитными реактивами.
2
Известен также способ нанесения на никелевую подложку активного слоя [Р.Х.Бурштейн, В.Е.Казаринов, А.Г.Пшеничников, И.Е.Барбашова, О.А.Кузьмичева. Авторское свид. СССР №1.162.878, «Открытия, изобретения», 1985, №23.] (прототип), содержащего соединения никеля, кобальта и серы, путем погружения подложки в раствор, содержащий смесь нитратов никеля и кобальта в количестве 150-220 г/л, при соотношении никеля и кобальта 4-3:1 и гидросульфита натрия в количестве 70-120 г/л при температуре 70-90°С. Активацию ведут путем многократного погружения и сушки между погружениями. Потенциал катода при электролизе в щелочном растворе при 4 кА/м составляет - 0,11 В (отн. в.э.) (прототип). Недостатком прототипа является осаждение продуктов восстановления солей никеля и кобальта не только на поверхности активируемого электрода, но и в растворе, что исключает возможность длительного использования активирующего раствора. Кроме того, в этом способе используется дефицитный кобальт и требуется нагрев активирующего раствора до 80°С.
Цель изобретения - упрощение способа изготовления электрода за счет уменьшения числа погружений в раствор, исключение использования дефицитного кобальта и увеличение стабильности активирующего раствора при сохранении высокой электрохимической активности и стабильности электрода.
Цель достигается тем, что процесс активации ведут путем однократного погружения никелевой подложки в раствор, содержащий смесь сульфатов никеля и железа в суммарной концентрации 70-75 г/л при соотношении никеля к железу 3-2,5:1, и гипосульфита натрия в количестве 20-50 г/л. Процесс ведут при температуре 20-30°С в интервале рН=3-5 в течение 8-21 часа. Активирование электрода достигается его однократным погружением в активирующий раствор, при этом обеспечивается удовлетворительная прочность активного слоя и высокая электрохимическая активность электрода. При нанесении активного слоя на никелевую подложку в указанных условиях в растворе не образуются содержащие серу соединения никеля и железа, вследствие чего раствор может быть использован многократно.
Пример. В качестве основы для изготовления активированного электрода для электролиза воды используется гладкая никелевая или стальная никелированная сетчатая подложка.
Активация осуществляется однократным погружением в раствор, содержащий следующие компоненты (г/л):
2
2
2
4
3
2
3
3
2
2
3
2
NiSO·7НO - 50, Fe(SO)·7НО - 20, НВО- 10, NaSO·5HO - 50.
Температура = 20°С, рН 3. Время активации 8 часов.
2
На активированном указанным способом электроде при плотности тока 4 кА/м потенциал катода в 6 N КОН при 70°С составляет 0,10-0,12 В (относительно водородного электрода сравнения) и не изменяется при испытании электродов в указанных условиях в течение 3000 часов. Активация электродов в указанном активирующем растворе через месяц после его приготовления приводит к такому же результату.
Обоснование выбранных параметров: температурного режима, концентрации гипосульфита, pH и времени активации электрода
При температуре ниже 20°С процесс активации существенно замедлен. При температуре выше 30°С наблюдается выпадение продуктов восстановления солей никеля и железа в растворе. Поэтому оптимальной температурой следует считать 20-30°С.
2
При содержании гипосульфита натрия в активирующем растворе менее 20 г/л потенциал катода выше, т.е. электрохимическая активность катода меньше. При концентрации гипосульфита натрия более 50 г/л происходит разложение активирующего раствора с выпадением продуктов восстановления солей никеля и железа в осадок. Зависимость перенапряжения катода, т.е. потенциала относительно обратимого водородного электрода, от концентрации гипосульфита в активирующем растворе приведена в таблице 1 (при плотности тока i=4 кА/м, в 6N КОН при 70°С и времени активации 8 часов)
Таблица 1
<img file="00000001.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
10
20
30
40
50
Потенциал катода, В
-0,13
-0,11
-0,11
-0,11
-0,11
2
2
3
Оптимальная концентрация NaSO составляет от 20 до 50 г/л, т.к. при этом потенциал электрода меньше.
Таблица 2Обоснование величины рН (при концентрации Na<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 20 г/л и времени активации 8 часов)
рН
1
2
3
4
5
6
7
Потенциал катода, В.
-0,18
-0,15
-0,11
-0,12
-0,12
-0,17
-0,17
Из данных таблицы 2 следует, что наилучшие результаты получаются при pH от 3 до 5, т.к. в этом интервале pH обеспечивается низкое значение потенциала электрода.
Таблица 3
Обоснование времени активации (при рН 3 и концентрации Na<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 20 г/л):
Время активации, ч
0,5
1,5
3,5
8
17
21
24
Потенциал катода, В
-0,16
-0,13
-0,13
-0,12
-0,11
-0,12
-0,16
Оптимальное время активации составляет от 8 до 21 часа, т.к. при этом обеспечивается низкое значение потенциала электрода.
Для активации электрода нами выбрана суммарная концентрация солей никеля и железа 70-75 г/л, т.к. при меньшей концентрации процесс активации идет медленно, а при большей происходит выпадение продуктов их восстановления в раствор при выбранных нами параметрах активации (t°, время, рН). Соотношение никеля и железа в активирующем растворе составляет 3-2,5:1, что примерно соответствует соотношению металлов в прототипе.
Активация электрода для электролиза водного щелочного раствора впервые осуществлена химическим путем с использованием гипосульфита натрия в количестве 20-50 г/л при температуре 20-30°С в интервале рН 3-5 в течение 8-21 ч. Ранее известные химические способы активации электродов для электрохимических процессов характеризовались выделением активных компонентов в объеме раствора, что исключено в предлагаемом способе. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".
Основываясь на данных, приведенных в прототипе, невозможно предсказать оптимальные с точки зрения стабильности активирующего раствора условия проведения процесса активации электродов. Проведенные нами исследования позволяют определить оптимальные условия активации электродов, предназначенных для электролиза водных щелочных растворов, с использованием активирующего раствора, содержащего компоненты, указанные в примере. В соответствии с изложенным, данный способ активации электрода имеет изобретательский уровень.