RU2621029C1 - Катод для электролиза - Google Patents
Катод для электролиза Download PDFInfo
- Publication number
- RU2621029C1 RU2621029C1 RU2016134131A RU2016134131A RU2621029C1 RU 2621029 C1 RU2621029 C1 RU 2621029C1 RU 2016134131 A RU2016134131 A RU 2016134131A RU 2016134131 A RU2016134131 A RU 2016134131A RU 2621029 C1 RU2621029 C1 RU 2621029C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- nickel
- matrix
- electrolysis
- coating
- Prior art date
Links
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 11
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 14
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 6
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 abstract description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 abstract 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 platinum group metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001785 cerium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000010410 dusting Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 150000002815 nickel Chemical class 0.000 description 1
- 229910000480 nickel oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 1
- GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N oxonickel Chemical compound [Ni]=O GNRSAWUEBMWBQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/073—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material
- C25B11/075—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the electrocatalyst material consisting of a single catalytic element or catalytic compound
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/02—Hydrogen or oxygen
- C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
- C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Изобретение относится к катоду для электролиза, содержащему покрытие из никеля толщиной 300-1000 нм, нанесенное методом магнетронного распыления на матрицу пористого оксида алюминия с размерами пор 40-120 нм и расстоянием между стенками пор 10-20 нм. Техническим результатом является повышение площади контакта материала катода с электролитом и повышение адгезии каталитического покрытия к подложке, иначе, к основе катода. 2 ил.
Description
Изобретение относится к никелевому катализатору для реакции получения водорода, который может быть использован при производстве каталитического водорода, в частности в качестве катодов в электролизных установках.
Одним из путей снижения стоимости электролитического водорода является разработка и использование в электролизерах электродов – катализаторов с высокоэффективными, технологичными и недорогими каталитическими покрытиями. Железо, никель, кобальт, платина, другие 3d металлы и металлы платиновой группы, их сплавы и соединения с интерметаллидами традиционно используются в качестве катодов в электролитических реакциях выделения водорода в процессе электролиза из кислых и щелочных водных растворов. Никель и кобальт особо выделяются среди них тем, что, обладая высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах, по сравнению с металлами платиновой группы имеют низкую стоимость и достаточно широко распространены. Эффективность реакции выделения водорода (РВВ) напрямую зависит от площади контакта материала катода с электролитом. Это связано с большим вкладом поверхностных электронных состояний металла в процессе РВВ.
Известны никелевые катоды для электролиза, например US4465580, US4238311, включающие покрытие из оксида рутения, смешанного с оксидом никеля, которые в течение длительного времени составляли более дорогую, технически превосходящую альтернативу катодам из углеродистой стали предыдущего поколения. Такие катоды, однако, отличаются довольно ограниченным сроком службы из-за плохой адгезии покрытия к подложке.
Заметное улучшение адгезии каталитического покрытия на никелевой подложке было обеспечено в катоде, описанном в ЕР298055 (выбран в качестве прототипа), который содержит никелевую подложку, активированную платиной или другим благородным металлом и соединением церия. Церий противодействует возможным примесям на основе железа, которые вредны для каталитической активности благородного металла. Будучи улучшением по сравнению с предшествующим уровнем техники, катод ЕР 298055 демонстрирует каталитическую активность и устойчивость в условиях электролиза, все еще недостаточные для требований современных промышленных процессов; в частности его покрытие имеет тенденцию серьезно повреждаться при случайных инверсиях тока, обычно происходящих в случае неисправной работы промышленных установок.
Известные решения характеризуются низкой эффективностью реакции выделения водорода вследствие малой площади контакта материала катода с электролитом.
Техническим результатом изобретения является повышение пощади контакта материала катода с электролитом и повышение адгезии каталитического покрытия к подложке, иначе, к основе катода.
Технический результат достигается в катоде для электролиза, содержащем покрытие из никеля толщиной 300-1000 нм, нанесенное методом магнетронного распыления на матрицу пористого оксида алюминия с размерами пор 40-120 нм и расстоянием между стенками пор 10-20 нм.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - покрытие из никеля, нанесенное на матрицу пористого оксида алюминия, полученное при помощи сканирующей электронной микроскопии (увеличение в 100 тыс. раз);
фиг. 2 - схема формирования покрытия из Ni в матрице Al2O3.
Для создания композитного катода для электролиза предлагается использовать магнетронный метод нанесения вещества в матрицы пористого оксида алюминия. Магнетронное распыление материалов является простым и широко распространенным методом получения пленок широкого спектра материалов, начиная с диэлектриков и заканчивая полупроводниками и металлами.
На диэлектрик осадить металл возможно в основном физическими методами. Но можно использовать метод электрохимического осаждения, т.н. никелирование, для этого необходимо сначала нанести проводящий подслой, в основном, это медь. При этом используются растворы солей никеля, которые могут загрязнять материал катода.
Возможно использовать метод вакуумного электронно-лучевого осаждения (ЭЛО). Но метод ЭЛО не позволяет осаждать на поверхности большой площади (до 2 м2). Магнетронное осаждение позволяет использовать мишени большого размера, и практически любой формы. Добиться хорошей равномерности толщины покрытия по площади образца методом ЭЛО очень сложно.
Катод для электролиза содержит каталитическое покрытие из никеля толщиной 300-1000 нм, нанесенное методом магнетронного распыления на матрицу пористого оксида алюминия (далее - матрица) с размерами пор 40-120 нм (средний диаметр пор) и расстоянием между стенками пор 10-20 нм (минимальная толщина перемычек между соседними порами в матрице).
При толщине слоя никеля менее 300 нм невозможно достигнуть необходимой сплошности слоя, электролит будет проникать к материалу матрицы и растворять ее. При толщине более 1000 нм не будет наследоваться рельеф матрицы-основы, что приведет к формированию сплошной пленки никеля и существенно понизит площадь контакта материала катода с электролитом и понизит эффективность реакции выделения водорода.
Аналогично, чем больше размер (диаметр) пор и больше расстояние между их стенками, тем менее развитая будет поверхность. Поэтому необходимо найти баланс между этими двумя характеристиками. Оптимальным является диаметр пор около 80 нм и расстоянием между стенками пор - 10 нм.
Указанная конструкция катода позволяет увеличить площадь контакта материала катода (никеля) с электролитом за счёт высокоразвитой поверхности (меньше 120м2/г), а также позволит создавать наночастицы Ni, размер (от 40 до 120 нм) которых можно контролируемо изменять за счёт изменения структурных параметров оксидной матрицы и режимов магнетронного распыления, что позволит достигнуть высокой каталитической активности разрабатываемых композитных материалов, при использовании их в качестве катодов в электролитических реакциях выделения водорода.
Процесс изготовления катода для электролиза включает в себя следующие основные этапы (схема показана на фиг.2):
- создание матрицы пористого оксида алюминия, которое проводится широко распространенным и хорошо исследованным методом электрохимического окисления пластин алюминия в растворах кислот с последующим удалением сплошного слоя алюминия. В качестве электролита используется 0,3 М раствор щавелевой кислоты. Синтез проводится в двухэлектродной электрохимической ячейке в диапазоне температур от 0 до 5°C с использованием источника постоянного тока с регулируемым напряжением и током анодирования;
- магнетронное осаждение никеля проводится в камере вакуумного напыления, оснащенного приставкой для магнетронного распыления материалов.
Готовое изделие представляет собой композитный материал с наноструктурным покрытием из никеля. После запыления пор образуются массивы шарообразных структур, диаметр которых зависит от диаметра пор матрицы и расстояний между стенками пор. Их топография в конечном счете определяет площадь поверхности, то есть развитость. Чем больше удельная площадь поверхности никеля с рельефом относительно площади образца гладкого, тем более развитая поверхность.
Технология формирования пористых пленок анодного оксида алюминия масштабируема, так, могут быть изготовлены матрицы различной формы площадью до 2 м2.
Claims (1)
- Катод для электролиза, содержащий покрытие из никеля толщиной 300-1000 нм, нанесенное методом магнетронного распыления на матрицу пористого оксида алюминия с размерами пор 40-120 нм и расстоянием между стенками пор 10-20 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016134131A RU2621029C1 (ru) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Катод для электролиза |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016134131A RU2621029C1 (ru) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Катод для электролиза |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2621029C1 true RU2621029C1 (ru) | 2017-05-31 |
Family
ID=59032099
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016134131A RU2621029C1 (ru) | 2016-08-22 | 2016-08-22 | Катод для электролиза |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2621029C1 (ru) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505624C2 (ru) * | 2008-01-31 | 2014-01-27 | Касале Кемикэлз С.А. | Катод электролизеров для разложения воды с высокими рабочими характеристиками |
| KR20150021605A (ko) * | 2013-08-20 | 2015-03-03 | 포항공과대학교 산학협력단 | 나노구조 광전극을 가지는 물 분해 광전기화학 셀 및 그 제조방법 |
| US20160222524A1 (en) * | 2011-01-12 | 2016-08-04 | Ceramatec, Inc. | Electrochemical production of hydrogen |
-
2016
- 2016-08-22 RU RU2016134131A patent/RU2621029C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505624C2 (ru) * | 2008-01-31 | 2014-01-27 | Касале Кемикэлз С.А. | Катод электролизеров для разложения воды с высокими рабочими характеристиками |
| US20160222524A1 (en) * | 2011-01-12 | 2016-08-04 | Ceramatec, Inc. | Electrochemical production of hydrogen |
| KR20150021605A (ko) * | 2013-08-20 | 2015-03-03 | 포항공과대학교 산학협력단 | 나노구조 광전극을 가지는 물 분해 광전기화학 셀 및 그 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP7092076B2 (ja) | チタン基材、チタン基材の製造方法、及び、水電解用電極、水電解装置 | |
| Chen et al. | Corrosion resistance mechanism of a novel porous Ti/Sn-Sb-RuOx/β-PbO2 anode for zinc electrowinning | |
| JP6929378B2 (ja) | 電気分解用陽極及びその製造方法 | |
| JP2008240001A (ja) | 水素発生用電極 | |
| CN103827360B (zh) | 电镀用阳极及使用该阳极的电镀法 | |
| JP5686455B2 (ja) | 耐高負荷用酸素発生用陽極の製造方法 | |
| CN103255434A (zh) | 电解用电极、电解槽以及电解用电极的制造方法 | |
| Hosseini et al. | Electrodeposition of platinum metal on titanium and anodised titanium from P salt: application to electro-oxidation of glycerol | |
| JP2011202206A (ja) | 不溶性電極及びその製造方法 | |
| WO2021193857A1 (ja) | チタン基材、チタン基材の製造方法、及び、水電解用電極、水電解装置 | |
| JP2019119930A (ja) | 塩素発生用電極 | |
| Buming et al. | Effect of the current density on electrodepositing alpha-lead dioxide coating on aluminum substrate | |
| JPH0488182A (ja) | オゾン製造用電極構造体及びその製造方法 | |
| JP2007146215A (ja) | 酸素発生用電極 | |
| JP5614671B2 (ja) | 酸化被膜及びその形成方法 | |
| CA2304551A1 (en) | Electro-plating process | |
| GB2152534A (en) | Electrolytic treatment of a metal by liquid power feeding | |
| RU2621029C1 (ru) | Катод для электролиза | |
| US5665218A (en) | Method of producing an oxygen generating electrode | |
| CN102575363B (zh) | 具有受控晶态结构的电解工艺电极 | |
| JP3621148B2 (ja) | 電解用電極及びその製造方法 | |
| JPH08199384A (ja) | 電解用電極及びその製造方法 | |
| TW201725285A (zh) | 電極 | |
| JPH0499294A (ja) | 酸素発生用陽極及びその製法 | |
| JP2025512229A (ja) | 電着用の金属中間層を有するアノード |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180823 |