СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
METHOD FOR MANUFACTURING ELECTRODE FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSES

Изобретение относится к области технической электрохимии, а именно к способам изготовления электродов для электролиза щелочных растворов.
В патенте SU 1637667 (Де Нора Пермелек С.П.А.) от 23.03.91, кл. C25B 11/04 предложен катод для хлорного электролиза, в частности катод для выделения водорода в электролизерах с целью увеличения срока службы за счет повышения его стойкости к дезактивирующему действию железа и ионов тяжелых металлов. Электрокаталитическое покрытие этого катода содержит, в частности, ядовитые вещества: таллий, свинец, мышьяк в количестве до 10 ат.%. Процесс изготовления указанного катода весьма сложен, т.к. включает электроосаждение покрытия на подложку, сушку, нагревание в печи при 480°C.
В патенте RU 2146308 (Рон-Пуленк Шими) от 10.03.2000, кл. C25B 11/04 предложен электроактивированный материал для катодных элементов и способ его изготовления, который включает фильтрование водной суспензии, содержащей электрокатализатор, волокна, связующее и добавки, через высокопористый материал в вакууме, сушку и спекание, т.е. процесс изготовления электрода также достаточно сложен.
2
Известен способ изготовления электродов для электрохимических процессов, включающий нанесение на никелевую подложку активного слоя [Р.Х.Бурштейн, В.Е.Казаринов, А.Г.Пшеничников, Н.Е.Барбашева, О.А.Кузьмичева. Авторское свидетельство СССР №1162878. «Открытия, изобретения», 1985, №23] (прототип), содержащего соединения никеля, кобальта и серы, путем погружения никелевой подложки в раствор, содержащий смесь нитратов никеля и кобальта в количестве 150-220 г/л, при соотношении никеля к кобальту, равном 4-3:1, и гидросульфит 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 плотности тока 4 кА/м и температуре 70°C составляет 0,11 В (отн. о.в.э.) (прототип).
Недостатком прототипа является использование для изготовления электрода дефицитных солей никеля и кобальта, нагрев активирующего раствора до 70-90°C, а также многократное повторение операций.
Цель изобретения - упрощение способа изготовления электрода за счет проведения процесса без нагревания, уменьшения числа погружений подложки в раствор и его удешевление за счет исключения использования солей кобальта и никеля, а также за счет замены гидросульфита натрия на сульфид натрия, при сохранении высокой электрохимической активности электрода.
2-
Цель достигается тем, что процесс активации ведут путем однократного погружения никелевой подложки в раствор, содержащий сульфид натрия в количестве 10-20 г/л и серную кислоту в количестве, соответствующем рН=3-5, при температуре 20-30°C и времени активации 8-21 часа. Активирование электрода достигается за счет частичного растворения никелевой подложки серной кислотой с последующим взаимодействием образующихся при этом ионов никеля с ионами S и получением на поверхности электрода сульфидов никеля, при этом обеспечивается удовлетворительная прочность активного слоя и высокая электрохимическая активность электрода.
Предлагаемый способ изготовления электрода для электрохимических процессов имеет изобретательский уровень, так как сохранение высокой электрохимической активности электрода при изменении состава активирующего раствора (исключение солей никеля и кобальта и замена их на серную кислоту и сульфид натрия) не является очевидным.
Обоснование выбранных параметров: температурного режима, концентрации сульфида натрия, рН и времени активации электрода.
При температуре ниже 20°C процесс активации электрода существенно замедлен. При температуре выше 30°C происходит ускоренная коррозия подложки. Поэтому оптимальной температурой следует считать 20-30°С.
2
При концентрации сульфида натрия в активирующем растворе менее 10 г/л и более 20 г/л потенциал катода при электролизе раствора щелочи выше, т.е. электрохимическая активность катода меньше. Зависимость перенапряжения катода, т.е. потенциала относительно обратимого водородного электрода, от концентрации сульфида натрия в активирующем растворе приведена в таблице 1 (при плотности тока 4 кА/м, в 6N КОН при 70°C и времени активации 17 часов).
Таблица 1
<img file="00000001.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /><sub>, г/л</sub>
8
10
15
20
22
Потенциал катода, В
-0,14
-0,10
-0,11
-0,12
-0,14
2
Оптимальная концентрация NaS составляет от 10 до 20 г/л, т.к. при этом потенциал электрода минимален.
Таблица 2
Обоснование величины рН (при концентрации Na<sub>2</sub>S - 10 г/л и времени активации 17 часов при температуре 25°С)
рН
1
2
3
4
5
6
Потенциал катода, В
-0,18
-0,13
-0,10
-0,11
-0,12
-0,14
Из данных таблицы 2 следует, что наилучшие результаты получаются при рН от 3 до 5, т.к. при активации в этом интервале рН обеспечивается низкое значение потенциала электрода при электролизе 6N КОН.
Таблица 3
Обоснование времени активации (при рН=3 и концентрации Na<sub>2</sub>S=20 г/л при температуре 20°С)
Время активации, ч
4
8
17
21
24
Потенциал катода, В
-0,16
-0,11
-0,11
-0,12
-0,16
Оптимальное время активации составляет от 8 до 21 часа, т.к. при этом обеспечивается низкое значение потенциала электрода при электролизе 6N КОН.
Проведенные нами исследования позволяют определить оптимальные условия активации электродов, предназначенных для электролиза водных щелочных растворов, с использованием активирующего раствора, содержащего компоненты, указанные в примере.
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
4
NaS - 20, HSO - до рН=3.
Температура=20°С. Время активации = 17 часов.
2
На активированном указанным способом электроде при плотности тока 4 кА/м потенциал катода в 6 NКОН при 70°С составляет -0,11 В (относительно обратимого водородного электрода сравнения).
2
2
4
2
Активация электрода для электролиза водного щелочного раствора впервые осуществлена химическим путем без активирующих солей тяжелых металлов с использованием NaS в количестве 10-20 г/л и HSO (до рН=3-5). Ранее известные химические способы активации электродов для электрохимических процессов характеризовались наличием активирующих солей тяжелых металлов в объеме раствора, что исключено в предлагаемом способе. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна". Кроме того, этот способ является более дешевым за счет исключения использования солей тяжелых металлов и замены используемого в прототипе гидросульфита натрия на NaS, имеющий более низкую стоимость.