ES2847250T3 - Anodo para electrolisis de agua alcalina y método de producción de ánodo para electrolisis de agua alcalina - Google Patents

Anodo para electrolisis de agua alcalina y método de producción de ánodo para electrolisis de agua alcalina Download PDF

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Abstract

Un ánodo para la electrólisis de agua alcalina que comprende un sustrato conductor que tiene al menos una superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y una capa de catalizador del electrodo formada sobre la superficie del sustrato conductor, en donde un componente catalizador que constituye la capa de catalizador del electrodo comprende: un primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto representado por una fórmula estructural NiCo2O4, o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto representado por una fórmula estructural XNiaCo1-aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1), y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio, en donde la cantidad del segundo componente catalizador, calculada como una cantidad de un componente metálico, es al menos 0,2 g/m2.

Description

DESCRIPCIÓN
Ánodo para electrólisis de agua alcalina y método de producción de ánodo para electrólisis de agua alcalina Campo técnico
La presente invención se refiere a un ánodo utilizado en la electrólisis de agua alcalina, y se refiere particularmente a un ánodo para la electrólisis de agua alcalina que requiere un voltaje de celda bajo y un método para producir el ánodo.
Técnica anterior
El hidrógeno es una fuente de energía secundaria que es adecuada para el almacenamiento y el transporte, y tiene poco impacto medioambiental. Como resultado, los sistemas de energía de hidrógeno que utilizan hidrógeno como portador de energía están atrayendo mucho interés. Actualmente, el hidrógeno se produce principalmente mediante reformado con vapor de agua de combustibles fósiles o similares. Desde el punto de vista de problemas tales como el calentamiento global y el agotamiento de los combustibles fósiles, sigue aumentando la importancia de la electrólisis de agua alcalina que utiliza energías renovables tales como las células solares, la energía eólica o la energía hidroeléctrica como fuente de energía.
La electrólisis del agua se puede clasificar en dos tipos. Un tipo es la electrólisis de agua alcalina, que utiliza una solución acuosa alcalina de alta concentración como electrolito. El otro tipo es la electrólisis de agua de polímero sólido, que utiliza un electrodo de diamante y utiliza un electrolito de polímero sólido (SPE) como electrolito. Cuando la producción de hidrógeno a gran escala se realiza mediante electrólisis de agua, se considera que la electrólisis de agua alcalina utilizando un material económico tal como un metal de níquel a base de hierro o similar es más adecuada que la electrólisis de agua de polímero sólido que utiliza un electrodo de diamante.
Las reacciones de los electrodos en los dos electrodos son las siguientes.
Reacción del ánodo:
2OH- ^ H2O I / 2 O2 + 2e- (1)
Reacción del cátodo:
2 H2O 2e- ^ H2 + 2OH- (2)
Las soluciones acuosas alcalinas de alta concentración aumentan su conductividad a medida que aumenta la temperatura, pero la corrosividad también aumenta. Por consiguiente, el límite superior para la temperatura de funcionamiento se suprime a aproximadamente 80 a 90°C. El desarrollo de materiales estructurales de electrolizadores y diversos materiales de tuberías que son capaces de soportar temperaturas más altas y soluciones acuosas alcalinas de alta concentración, y el desarrollo de diafragmas y electrodos de baja resistencia con mayor superficie y provistos de un catalizador han permitido mejorar el rendimiento de la electrólisis hasta aproximadamente 1,7 a 1,9 V a una densidad de corriente de 0,3 a 0,4 Acm-2 (eficacia: 78 a 87%).
El ánodo para la electrólisis de agua alcalina generalmente utiliza un material a base de níquel que es estable en la solución acuosa alcalina de alta concentración, y se ha informado de que un electrodo a base de Ni tiene una vida útil de varias décadas o más en la electrólisis de agua alcalina que utiliza una fuente de energía estable (Documentos no Relacionados con Patentes 1 y 2). Sin embargo, los electrodos de Ni tienen un alto sobrepotencial y adolecen de una baja productividad.
Convencionalmente, se ha utilizado níquel o Ni poroso o una de sus aleaciones como sustrato del ánodo para la generación de oxígeno utilizado en la electrólisis de agua alcalina (Documento de Patente 1).
Adicionalmente, los siguientes tipos de metales u óxidos metálicos se han utilizado convencionalmente como capa de catalizador de electrodo del ánodo para la generación de oxígeno utilizado en la electrólisis de agua alcalina.
(1) Níquel Raney (Documento de Patente 1)
(2) Metales del grupo del platino (Documentos de Patente 2 a 4)
El Documento de Patente 2 describe un ánodo que utiliza níquel y rodio. El Documento de Patente 3 describe un ánodo que utiliza níquel, cobalto o plata, junto con rutenio, rodio o iridio. El Documento de Patente 4 describe un electrodo que utiliza platino.
(3) Óxidos de metales del grupo del platino tales como el óxido de rutenio y el óxido de iridio (Documento de Patente 5)
(4) Aleaciones de un primer metal compuesto por al menos un metal seleccionado entre hierro, titanio, niobio, circonio, tantalio, estaño, molibdeno y bismuto, y un segundo metal compuesto por al menos un metal seleccionado entre níquel, cobalto, plata y platino. (Documento de Patente 6)
(5) Sistemas de aleaciones a base de níquel tales como Ni-Co y Ni-Fe, níquel con una superficie expandida y espinela Co3O4 y NiCo2O4 como materiales cerámicos (Documentos de Patente 7 y 8)
(6) Óxidos conductores como perovskita LaCoO3 y La0,6St0,4CoO3 (Documento de Patente 9)
Lista de referencias
Documentos de Patente
Documento de Patente 1: JP 55-011132 A
Documento de Patente 2: JP 57-052432 B
Documento de Patente 3: JP 61-010557 B
Documento de Patente 4: JP 2009-242922 A
Documento de Patente 5: JP 57-198289 A
Documento de Patente 6: JP 57-200581 A
Documento de Patente 7: JP 01-028837 B
Documento de Patente 8: JP 61-250189 A
Documento de Patente 9: JP 2009-179871 A
Documento No Relacionado con Patentes
Documento No Relacionado con Patentes 1: P.W.T. Lu, S. Srinivasan, J. Electrochem. Soc., 125, 1416 (1978)
Documento No Relacionado con Patentes 2: CT. Bowen, int. J. Hydrogen Energy, 9, 59 (1984).
Resumen de la invención
Problema técnico
Sin embargo, los electrodos convencionales utilizados en la electrólisis de agua alcalina exhiben todos un alto sobrepotencial, y adolecen de una baja productividad. Se requieren más reducciones en el sobrepotencial para aplicaciones prácticas.
Los objetos de la presente invención son proporcionar un ánodo para la electrólisis de agua alcalina que tiene un voltaje de celda bajo mientras conserva una buena resistencia a la corrosión, y proporcionar un método para producir tal ánodo.
Solución al problema
Un aspecto de la presente invención es un ánodo para electrólisis de agua alcalina que contiene un sustrato conductor que tiene al menos una superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y una capa de catalizador del electrodo formada sobre la superficie del sustrato conductor, en donde un componente catalizador que constituye la capa de catalizador del electrodo contiene un primer componente catalítico que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto representado por una fórmula estructural NiCo2O4 , o un óxido de perovskita de lantánidoníquel-cobalto representado por una fórmula estructural XniaCo-i_aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1), y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio.
En este primer aspecto, la fórmula estructural del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto es preferiblemente XNÍq,2Coq,8O3.
En el primer aspecto, es preferible que el lantánido sea lantano y el óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto sea un óxido de perovskita de lantano-níquel-cobalto.
En el primer aspecto, la capa de catalizador del electrodo se forma preferiblemente utilizando una mezcla del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
En el primer aspecto, la capa de catalizador del electrodo se compone preferiblemente de una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada en la que se apilan una primera capa de catalizador formada a partir del primer componente catalizador y una segunda capa de catalizador formada a partir del segundo componente catalizador.
En el primer aspecto, es preferible que la primera capa de catalizador se forme sobre la superficie del sustrato conductor y que la segunda capa de catalizador se forme sobre la superficie de la primera capa de catalizador. En el primer aspecto, la cantidad del segundo componente catalítico, calculada como cantidad del componente metálico, es de al menos 0,2 g/m2
Un segundo aspecto en la presente invención es un método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina que incluye una etapa en la que se aplica, a una superficie de un sustrato conductor que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, una primera solución que es una solución obtenida mezclando iones de níquel e iones de cobalto de manera que la razón molar entre las cantidades de los metales respectivos sea 1:2, o una solución obtenida mezclando iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre los lantánidos, incluido lantano, cerio y praseodimio, junto con iones de níquel e iones de cobalto de modo que la razón molar entre las cantidades de los metales respectivos sea 1:a:1-a (0<a<1), y una segunda solución que contenga al menos uno de iones de iridio e iones de rutenio, y una etapa en la que se somete el sustrato conductor a un tratamiento térmico a una temperatura de 350°C a 550°C en una atmósfera que contiene oxígeno, formando así una capa de catalizador del electrodo compuesta de un primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto representado por una fórmula estructural NiCo2O4 , o un óxido de perovskita de lantánidoníquel-cobalto representado por una fórmula estructural XNiaCo-i_aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1), y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio.
En el segundo aspecto, es preferible que se aplique una mezcla de la primera solución y la segunda solución a la superficie del sustrato conductor que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y a continuación, se somete el sustrato conductor al tratamiento térmico para formar una capa de catalizador del electrodo en la que se mezclan el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
En el segundo aspecto, es preferible que la primera solución y la segunda solución se apliquen por separado a la superficie del sustrato conductor que tenga al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y que el sustrato conductor se someta a una tratamiento térmico después de la aplicación de cada solución, formando así una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada en la que se apilan el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
En el segundo aspecto, el tratamiento térmico se realiza preferiblemente a una temperatura de 350°C a 400°C en una atmósfera que contiene oxígeno.
En el segundo aspecto, la cantidad del segundo componente catalizador, calculada como una cantidad del componente metálico, es al menos 0,2 g/m2.
En el segundo aspecto, el óxido de perovskita de lantánido es preferiblemente un óxido de perovskita de lantanoníquel-cobalto.
En el segundo aspecto, la fórmula estructural del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto es preferiblemente XNÍq,2Coq,8O3.
En el segundo aspecto, el lantánido es preferiblemente lantano.
En el segundo aspecto, los iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio son preferiblemente iones de lantano.
En el segundo aspecto, la segunda solución es preferiblemente una solución ácida.
En el segundo aspecto, la segunda solución es preferiblemente una solución alcalina.
Efectos ventajosos de la invención
El ánodo para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con la presente invención contiene un sustrato conductor que tiene al menos una superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y una capa de catalizador del electrodo formada sobre la superficie del sustrato conductor, y formando el componente catalizador que constituye la capa de catalizador del electrodo de un primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquelcobalto o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto, y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio, se puede lograr un sobrepotencial que es tanto como 60 mV más bajo que los electrodos de níquel convencionales.
En el ánodo para la electrólisis de agua alcalina de acuerdo con la presente invención, asegurándose también de que el segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio esté incluido en una cantidad, calculada en términos de la cantidad de metal, que es al menos 0,2 g/m2, se puede lograr un sobrepotencial aún menor.
Por otra parte, sometiendo el ánodo para electrólisis de agua alcalina según la presente invención a un tratamiento térmico (descomposición térmica) en una atmósfera que contiene oxígeno a una temperatura de 350°C a 550°C, y preferiblemente de 350°C a 400°C, la descomposición térmica del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador puede proceder satisfactoriamente, lo que significa que se pueden obtener los óxidos deseados y se puede mejorar la resistencia del recubrimiento sobre el sustrato del electrodo y la resistencia adhesiva entre las capas de catalizador. Como resultado, no se produce la separación del componente catalizador de la capa de catalizador, mejora la resistencia a la corrosión y se puede lograr un sobrepotencial bajo.
Se cree que la razón por la que se obtienen estas mejoras para el ánodo para la electrólisis de agua alcalina es que al seleccionar los componentes del catalizador apropiados y una temperatura de tratamiento térmica adecuada, al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio está altamente disperso en el óxido de espinela de níquel-cobalto o el óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto, lo que permite una reducción del sobrepotencial.
Breve descripción de los dibujos
La FIG. 1a es una vista en sección transversal que ilustra una realización del ánodo para electrólisis de agua alcalina según la presente invención.
La FIG. 1b es una vista en sección transversal que ilustra otra realización del ánodo para electrólisis de agua alcalina según la presente invención.
La FIG. 2 es un gráfico que ilustra la relación entre la proporción del segundo componente catalizador utilizado en el ánodo para la electrólisis de agua alcalina de la presente invención y el sobrepotencial de oxígeno.
La FIG. 3 es una vista esquemática de una celda electrolítica que utiliza el ánodo para la electrólisis de agua alcalina según la presente invención.
Descripción de realizaciones
El ánodo para la electrólisis de agua alcalina según la presente invención y el método para producir el ánodo se describen a continuación con referencia a los dibujos.
La FIG. 1a es una vista en sección transversal que ilustra una realización del ánodo para electrólisis de agua alcalina según la presente invención. El ánodo para la electrólisis de agua alcalina tiene una estructura apilada que contiene un sustrato conductor 1 que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, una primera capa de catalizador 2 formada a partir de un primer componente catalizador en la superficie del sustrato conductor 1, y una segunda capa de catalizador 3 formada a partir de un segundo componente catalizador.
La FIG. 1b es una vista en sección transversal que ilustra otra realización del ánodo para electrólisis de agua alcalina según la presente invención. Este ánodo para la electrólisis de agua alcalina contiene el sustrato conductor 1 que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y una capa 4 de catalizador mixta que contiene una mezcla de un primer componente catalizador y un segundo componente catalizador formado en la superficie del sustrato conductor 1.
Primero están las descripciones del sustrato conductor del ánodo para la electrólisis de agua alcalina que constituye la presente invención, y la capa de catalizador del electrodo (la capa de catalizador) formada sobre la superficie del sustrato conductor.
<Sustrato conductor>
Por razones de conductividad y estabilidad química, el sustrato conductor 1 utiliza acero inoxidable, níquel, una aleación a base de níquel, hierro o un material de hierro niquelado. Al menos la superficie del sustrato conductor 1 está formada por níquel o una aleación a base de níquel. El espesor del sustrato conductor 1 es preferiblemente de 0,05 a 5 mm.
El sustrato conductor 1 tiene preferiblemente una forma con aberturas para eliminar las burbujas de oxígeno generadas. Por consiguiente, se puede utilizar favorablemente una malla expandida de níquel o una malla expandida de níquel porosa o similar como sustrato conductor 1. La porosidad del sustrato conductor 1 es preferiblemente de 10 a 95%.
Con el fin de mejorar la adherencia a la capa de catalizador, la superficie del sustrato conductor 1 se somete preferiblemente a un tratamiento de rugosidad de la superficie, tal como un tratamiento de granallado en el que se lanza un polvo sobre la superficie, un tratamiento de grabado que utiliza un ácido que puede disolver el sustrato, o un tratamiento de pulverización de plasma. Por otra parte, para eliminar las partículas contaminantes de metales o materia orgánica de la superficie del sustrato, se realiza preferiblemente un tratamiento de ataque químico. La cantidad de sustrato conductor consumida por el tratamiento de grabado químico es preferiblemente de aproximadamente 30 a 400 g/m2
Por otra parte, cuando se forma la capa de catalizador sobre la superficie del sustrato conductor 1, se aplica una solución de recubrimiento compuesta por una solución ácida o una solución alcalina a la superficie del sustrato conductor 1. Para proteger el sustrato conductor 1 formado a partir de níquel o una aleación a base de níquel, el sustrato se cuece preferiblemente de antemano en la atmósfera abierta a una temperatura de 450°C a 550°C durante un período de 5 a 20 minutos para formar una capa de óxido de Ni sobre la superficie del sustrato.
<Capa de catalizador>
En términos de durabilidad, el catalizador del ánodo para la electrólisis de agua alcalina puede estar compuesto únicamente de níquel o una aleación a base de níquel. Sin embargo, un catalizador compuesto únicamente por níquel o una aleación a base de níquel tiene un alto sobrepotencial. Por consiguiente, en la presente invención, se forma una capa de catalizador del electrodo específica sobre la superficie del sustrato conductor 1 que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel. El componente catalizador que constituye la capa de catalizador del electrodo está compuesto por un primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto, y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio.
La fórmula estructural del óxido de espinela de níquel-cobalto utilizado en la presente invención está representada por NiCo2O4.
La fórmula estructural del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto utilizado en la presente invención es un óxido de perovskita representado por la fórmula general XYO3 en la que el componente X es al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y el componente Y está compuesto de níquel y cobalto. En otras palabras, el óxido de perovskita está representado por la fórmula estructural xNiaCo-i_aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0 <a<1 ).
El lantánido es preferiblemente lantano. La fórmula estructural de tales compuestos está representada por LaNiaCo-iaO3 y es preferible el uso de LaNi0,2Co0,8O3.
Los óxidos de perovskita descritos en el Documento de Patente 9 incluyen perovskitas de lantano-estroncio-cobalto, perovskitas de lantano-estroncio-hierro, y similares, y se limitan a perovskitas que utilizan cobalto o hierro como componente Y, sin describir ni mencionar el tipo de perovskitas utilizadas en la presente invención que utilizan níquel como uno de los componentes Y.
El sobrepotencial no pudo reducirse adecuadamente utilizando una capa de catalizador del electrodo para el ánodo para electrólisis de agua alcalina compuesta únicamente por el primer componente catalizador que tiene un óxido de níquel-cobalto espinela o un óxido de lantánido-níquel-cobalto perovskita. En consecuencia, se utiliza una capa de catalizador del electrodo que contiene un segundo componente catalizador altamente disperso que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio junto con el primer componente catalizador.
La capa de catalizador del electrodo del ánodo para electrólisis de agua alcalina ilustrada en la FIG. 1a tiene una estructura apilada de la primera capa de catalizador del electrodo 2 formada a partir del primer catalizador y la segunda capa de catalizador del electrodo 3 formada a partir del segundo componente catalizador. En la Fig. 1a, cada una de estas capas puede formarse a partir de una única capa, pero puede formarse una primera capa de catalizador del electrodo 2 compuesta por una pluralidad de capas, y también puede formarse una segunda capa de catalizador del electrodo 3 compuesta por una pluralidad de capas.
Adicionalmente, como se ilustra en la FIG. 1b, la capa 4 de catalizador mixta para un ánodo para electrólisis de agua alcalina, preparada como una capa mixta mezclando el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador, también se puede utilizar como la capa de catalizador del electrodo.
Las etapas para producir el ánodo para la electrólisis de agua alcalina ilustrados en la FIG. 1a se describen a continuación.
Como se ilustra en la FIG. 1a, la segunda capa de catalizador del electrodo que tiene el segundo componente catalizador compuesto por al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio se forma en la superficie de la primera capa de catalizador del electrodo 2 compuesta por el primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto. En aquellos casos en los que se van a formar una pluralidad de la primera capa de catalizador del electrodo 2 y la segunda capa de catalizador del electrodo 3, se forma una estructura apilada apilando secuencialmente una primera capa de catalizador del electrodo adicional 2 y una segunda capa de catalizador del electrodo 3 encima de la segunda capa de catalizador del electrodo 3.
Para formar este tipo de estructura apilada de la primera capa de catalizador 2 y la segunda capa de catalizador 3, primero, se aplica una solución (primera solución) obtenida mezclando iones de níquel e iones de cobalto de modo que la razón molar entre las cantidades de los respectivos metales sea 1:2, o mezclando iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, junto con iones de níquel e iones de cobalto, de modo que la razón molar entre las cantidades de los metales respectivos sea 1:a:1-a (0<a<1), a la superficie del sustrato conductor 1 que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel. Posteriormente, el sustrato conductor 1 se somete a un tratamiento térmico a una temperatura de 350°C a 550°C en una atmósfera que contiene oxígeno, formando así la primera capa de catalizador 2 compuesta por el primer componente catalizador que tiene una espinela de óxido de níquel-cobalto representado por la fórmula estructural NiCo2Ü4, o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto representado por la fórmula estructural XNiaCo1_aC>3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1).
Cuando se forma la primera capa de catalizador 2 compuesta por el primer componente catalizador, los iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre los lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y los iones de níquel y los iones de cobalto se pueden utilizar cada uno en forma de la respectiva sal nitrato.
Posteriormente, se aplica una solución (segunda solución) que contiene al menos uno de los iones de iridio y de rutenio a la superficie de la primera capa de catalizador 2. A continuación, el sustrato conductor 1 se somete a un tratamiento térmico a una temperatura de 350°C a 550°C.°C en una atmósfera que contiene oxígeno, formando así la segunda capa de catalizador 3 compuesta por el segundo componente catalizador.
De esta manera, la primera capa de catalizador 2 y la segunda capa de catalizador 3 se forman como una estructura apilada. La primera capa de catalizador 2 y la segunda capa de catalizador 3 se pueden apilar en cualquier orden. En aquellos casos en los que se forma una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada que tiene dos o más capas apiladas, el segundo componente catalizador en la segunda capa 3 de catalizador migra a la primera capa 2 de catalizador. En otras palabras, el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se mezclan, al menos en la interfase entre la primera capa 2 de catalizador y la segunda capa 3 de catalizador.
En aquellos casos en los que la primera capa de catalizador 2 y la segunda capa de catalizador 3 se forman como una estructura apilada, si se utiliza una solución de sal nitrato como solución que contiene al menos uno de iones de iridio e iones de rutenio, existe la posibilidad de que los iones de nitrato pueden corroerse y causar desprendimiento del óxido de espinela de níquel-cobalto o del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto. Por consiguiente, se utiliza preferiblemente una solución alcalina como solución que contiene al menos uno de los iones de iridio y los iones de rutenio.
Las etapas para producir el ánodo para la electrólisis de agua alcalina ilustradas en la FIG. 1b se describen a continuación.
En este caso, en lugar de formar la capa de catalizador del electrodo como una estructura apilada, la segunda solución se añade y se mezcla con la primera solución para preparar una mezcla disolvente. Esta mezcla disolvente se aplica a continuación, a la superficie del sustrato conductor 1 que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel. Posteriormente, el calentamiento se realiza a una temperatura de 350 a 550°C, formando así la capa 4 de catalizador mixta que contiene una mezcla del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
En aquellos casos en los que la capa 4 de catalizador mixta que contiene una mezcla del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se forma de esta manera, se puede utilizar una solución de nitrato como solución que contiene al menos uno de los iones de iridio e iones de rutenio.
El tratamiento térmico debe realizarse a una temperatura de 350°C a 550°C. Si la temperatura de tratamiento es 350°C o menor, la descomposición térmica del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador es insuficiente, la resistencia del recubrimiento sobre el sustrato del electrodo y la fuerza adhesiva entre las capas de catalizador son inadecuadas, y los componentes del catalizador tienden a separarse de la capa de catalizador. Por otro lado, si la temperatura es de 550°C o superior, la oxidación del primer componente catalizador y del segundo componente catalizador tiende a continuar y el sobrepotencial aumenta. La oxidación del primer componente catalizador y del segundo componente catalizador tiende a comenzar cuando la temperatura es de 400°C o superior. En consecuencia, la temperatura del tratamiento térmico es preferiblemente de 350°C a 400°C.
El tiempo del tratamiento térmico es preferiblemente de 5 a 60 minutos y más preferiblemente de 5 a 20 minutos. Si el tiempo del tratamiento térmico es de 5 minutos o menos, la producción de catalizador es insuficiente, la resistencia del recubrimiento sobre el sustrato del electrodo y la fuerza adhesiva entre las capas de catalizador son inadecuadas y los componentes del catalizador tienden a separarse de la capa de catalizador. Por otro lado, si el tiempo es de 60 minutos o más, la oxidación de los componentes del catalizador tiende a continuar y aumenta el sobrepotencial. La oxidación de los componentes del catalizador tiende a comenzar cuando el tiempo de tratamiento es de 20 minutos o más. En consecuencia, el tiempo del tratamiento térmico es más preferiblemente de 5 a 20 minutos.
La cantidad de óxido de iridio u óxido de rutenio, calculada como la cantidad del componente metálico, es de al menos 0,2 g/m2 Para mantener un sobrepotencial bajo, se requiere una cantidad de metal iridio o rutenio de al menos 0,2 g/m2. Si esta cantidad es inferior a 0,2 g/m2, el sobrepotencial aumenta.
La FIG. 2 ilustra la relación entre la proporción de óxido de iridio (IrO2) utilizado en un ánodo para electrólisis de agua alcalina que tiene la estructura ilustrada en la FIG. 1a y el sobrepotencial de oxígeno. El ánodo para la electrólisis de agua alcalina tiene una estructura en la que la primera capa de catalizador 2 compuesta de óxido de espinela de níquel-cobalto (NiCo2O4) como primer componente catalizador se forma en la superficie del sustrato conductor 1 formado a partir de una aleación de níquel, y la segunda capa de catalizador 3 compuesta de óxido de iridio (IrO2) como segundo componente catalizador se forma sobre la superficie de la primera capa de catalizador 2. Utilizando este ánodo para la electrólisis de agua alcalina, se midió el sobrepotencial en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C y una densidad de corriente de 4 kA/m2.
Basándose en la FIG. 2, resulta evidente que al asegurarse de que la cantidad de óxido de iridio del segundo componente catalizador, calculada como la cantidad de iridio metálico, sea de al menos 0,2 g/m2, el sobrepotencial de oxígeno se puede mantener bajo.
Adicionalmente, se obtuvieron resultados similares cuando se utilizó óxido de rutenio solo o mezclado con óxido de iridio como segundo componente catalizador.
En el método para formar la capa de catalizador de acuerdo con la presente invención, los métodos de formación de película de recubrimiento, tales como los métodos CVD y PVD descritos a continuación, también se pueden utilizar como métodos alternativos al método de tratamiento térmico anterior.
(1) Método CVD: un gas que contiene un metal se descompone utilizando un plasma para generar átomos de metal, y se forma una película de recubrimiento sobre un sustrato mantenido a una temperatura alta (de aproximadamente 800°C).
(2) Métodos PVD: estos incluyen métodos de pulverización catódica y métodos de recubrimiento iónico. Un método de pulverización catódica es un método en el que los iones de argón o similares chocan contra un metal sólido para expulsar átomos de metal como partículas. Debido a que las partículas pulverizadas son sustancialmente eléctricamente neutras, la energía de las partículas que forman la película de recubrimiento es baja.
Un método de recubrimiento iónico es un método en el que se genera un flujo de electrones, el calor resultante se utiliza para evaporar un metal sólido para obtener átomos de metal y, al mismo tiempo, la mayoría de los átomos se ionizan, y los iones forman la película de recubrimiento.
Los métodos de recubrimiento iónico se clasifican como recubrimiento de iones por arco, cátodo hueco y cañón de electrones, según el método utilizado para generar la corriente de electrones.
El método de recubrimiento de iones por arco es un método en el que un objetivo se somete a una descarga de vacío entre un cátodo y un ánodo, evaporando e ionizando así el material de la superficie de la diana. La tasa de ionización del vapor de metal es un valor alto de al menos el 80%, lo que permite que se forme una película con una densidad y adherencia excelentes a alta velocidad. En el método de cátodo hueco, la tasa de ionización es moderada. En el método del cañón de electrones, la tasa de ionización es baja.
A continuación, la FIG. 3 se utiliza para describir los materiales estructurales utilizados cuando el ánodo para la electrólisis de agua alcalina según la presente invención se utiliza en una celda electrolítica de agua alcalina.
En la Fig. 3, el número 5 representa el ánodo, 6 representa un diafragma (diafragma de electrólisis) y 7 representa el cátodo. El número 8 representa una cámara de ánodo y el 9 representa una cámara de cátodo.
Para el cátodo 7, es necesario seleccionar un material de sustrato que pueda resistir la electrólisis de agua alcalina y un catalizador con un pequeño sobrepotencial de cátodo. Los ejemplos de materiales que se pueden utilizar como sustrato de cátodo incluyen níquel simple o un sustrato de níquel que ha sido recubierto con un cátodo activo. De manera similar al ánodo 5, se puede utilizar favorablemente una malla expandida de níquel o una malla expandida de níquel poroso como sustrato del cátodo. Los ejemplos de materiales que se pueden utilizar favorablemente como material catalizador de electrodo para el cátodo incluyen los mismos materiales catalizadores de electrodo que los utilizados en la capa de catalizador del electrodo descrita anteriormente.
Para el diafragma 6, se pueden utilizar amianto, telas no tejidas, membranas de intercambio iónico, membranas de polímeros porosos y membranas compuestas de un material inorgánico y un polímero orgánico. Por ejemplo, se puede utilizar una membrana permeable a iones formada al disponer un tejido de fibra orgánica en una mezcla de un material inorgánico hidrófilo tal como un compuesto de fosfato cálcico o fluoruro cálcico y un material aglutinante orgánico seleccionado entre polisulfona, polipropileno y poli(fluoruro de vinilideno). Por otra parte, también se puede utilizar una membrana permeable a iones que contiene una tela de fibra orgánica estirada en una mezcla formadora de película compuesta de un material hidrófilo inorgánico particulado seleccionado entre óxidos e hidróxidos de antimonio y circonio, y un aglutinante orgánico seleccionado entre polímeros fluorocarbonados, polisulfona, polipropileno, poli(cloruro de vinilo) y polivinil butiral.
En la electrólisis de agua alcalina de la presente invención, se utiliza como electrolito una solución obtenida mediante la adición de agua alcalina de alta concentración hasta que se alcanza una concentración alcalina prescrita. El electrolito es preferiblemente un álcali cáustico tal como potasa cáustica o sosa cáustica. La concentración del electrolito es preferiblemente de 1,5 a 40% en masa. En términos de supresión del consumo de energía, se prefiere particularmente una concentración de 15 a 40% en masa, que representa la región en la que la conductividad eléctrica es grande. Sin embargo, si también se tienen en cuenta los costes asociados con la electrólisis y la corrosividad, viscosidad y facilidad de uso del electrolito, es incluso más deseable una concentración de 20 a 30% en masa.
Ejemplos
A continuación se ofrece una descripción de ejemplos de la presente invención, pero la presente invención no se limita a estos ejemplos. La composición del catalizador, la temperatura de cocción, el resultado de la medición del sobrepotencial y la razón del componente metálico del catalizador para cada uno de los Ejemplos 1 a 9 y los Ejemplos Comparativos 1 a 5 se muestran en la Tabla 1.
El Ejemplo 1 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 350°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron en una estructura apilada.
El Ejemplo 2 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 450°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron en una estructura apilada.
El Ejemplo 3 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 550°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron en una estructura apilada.
El Ejemplo 4 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 350°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron como una capa mixta.
El Ejemplo 5 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 450°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron como una capa mixta.
El Ejemplo 6 ilustra un ejemplo en el que se utilizó LaNi0,2Co0,8O3 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 350°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron en una estructura apilada.
El Ejemplo 7 ilustra un ejemplo en el que se utilizó LaNi0,2Co0,8O3 como primer componente catalizador, se utilizó IrO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 350°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron como una capa mixta.
El Ejemplo 8 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó RuO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 350°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron como una capa mixta.
El Ejemplo 9 ilustra un ejemplo en el que se utilizó NiCo2O4 como primer componente catalizador, se utilizó RuO2 como segundo componente catalizador, la temperatura de cocción se fijó en 450°C, y el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador se formaron como una capa mixta.
<Ejemplo 1>
Se grabó una malla de níquel durante 3 minutos en ácido clorhídrico al 20% hirviendo, y a continuación, se horneó a 500°C durante 30 minutos para preparar un sustrato de electrodo de níquel. A continuación, se disolvieron nitrato de Ni y nitrato de Co en agua pura en cantidades que produjeron 33,3% en moles de níquel y 66,7% en moles de cobalto, formando así una solución de recubrimiento. Esa solución de recubrimiento se aplicó al sustrato en una cantidad que proporcionó una cantidad de metal de 1 g/m2 por aplicación. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos). Estas etapas se realizaron 4 veces, produciendo así una capa de catalizador de NiCo2O4 que contenía una cantidad de metal de 4 g/m2 Posteriormente, se aplicó una solución de hexamina de iridio en una cantidad suficiente para producir una cantidad de óxido de iridio, calculada como la cantidad de iridio metálico, de 1 g/m2. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos), produciendo así un electrodo que tenía una capa de catalizador del electrodo compuesta por una estructura apilada de una capa de catalizador de NiCo2O4 y una capa de catalizador de IrO2.
El sobrepotencial de ese electrodo se midió en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C, a densidades de corriente de 4 kA/m2 y 6 kA/m2
<Ejemplo 2>
Utilizando la solución de hexamina de iridio preparada en el Ejemplo 1, se aplicó óxido de iridio a la capa de catalizador de NiCo2O4 formada en el Ejemplo 1 en una cantidad suficiente para producir una cantidad de óxido de iridio, calculada como la cantidad de iridio metálico, de 1 g/m2. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (450°C, 15 minutos), formando así una capa de catalizador del electrodo compuesta por una estructura apilada de una capa de catalizador de NiCo2O4 y una capa de catalizador de IrO2. El sobrepotencial se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 3>
Utilizando la solución de hexamina de iridio preparada en el Ejemplo 1, se aplicó óxido de iridio a la capa de catalizador de NiCo2O4 formada en el Ejemplo 1 en una cantidad suficiente para producir una cantidad de óxido de iridio, calculada como la cantidad de iridio metálico, de 1 g/m2. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (550°C, 15 minutos), formando así una capa de catalizador del electrodo compuesta por una estructura apilada de una capa de catalizador de NiCo2O4 y una capa de catalizador de IrO2. El sobrepotencial se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 4>
El nitrato de Ni, el nitrato de Co y el nitrato de Ir se disolvieron en agua pura en cantidades que produjeron 31% en moles de níquel, 62% en moles de cobalto y 7% en moles de iridio, formando así una solución de recubrimiento, y esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo 1. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos) formando así una capa de catalizador mixta en la que el catalizador de IrO2 estaba muy disperso dentro de la capa de catalizador de NiCo2O4. Estas etapas formaron una capa de catalizador que contenía 1 g/m2 de níquel y cobalto y 0,25 g/m2 de iridio, y realizando estas etapas 4 veces, se produjo un electrodo. El sobrepotencial se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 5>
Con la excepción de la realización del recubrimiento de descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (450°C, 15 minutos), se formó una capa de catalizador mixta en la que el catalizador de IrO2 estaba muy disperso dentro de la capa de catalizador de NiCo2O4 en las mismas condiciones que en el Ejemplo 4. Se midió el sobrepotencial utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 6>
Se disolvieron nitrato de Ni, nitrato de Co y nitrato de La en agua pura en cantidades que produjeron 10% en moles de níquel, 40% en moles de cobalto y 50% en moles de lantano, preparando así una solución de recubrimiento. Esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo 1, y a continuación, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos), formando así una primera capa de catalizador 2 compuesta de LaNi0,2Co0,sO3. Posteriormente, utilizando la solución de iridio en hexamina preparada en el Ejemplo 1, se aplicó óxido de iridio a la primera capa de catalizador 2 en una cantidad suficiente para producir una cantidad de óxido de iridio, calculada como la cantidad de iridio metálico, de 1 g/m2. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos), formando así una segunda capa de catalizador 3 compuesta de óxido de iridio. Esto completó la producción de un electrodo que tenía una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada. Se midió el sobrepotencial del electrodo utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 7>
Se disolvieron nitrato de Ni, nitrato de Co, nitrato de La y nitrato de Ir en agua pura en cantidades que produjeron 9% en moles de níquel, 36% en moles de cobalto, 44% en moles de lantano y 11% en moles de iridio, preparando así una solución de recubrimiento. Esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo 1, y a continuación, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico con circulación de aire (350°C, 15 minutos). Al realizar estas etapas 4 veces, se formó una capa de catalizador mixta que contenía una mezcla de LaNi0,2Co0,8O3 y óxido de iridio. Las cantidades de los componentes del catalizador dentro de la capa de catalizador, calculadas como las cantidades de los metales componentes, fueron 4 g/m2 para níquel, cobalto y lantano, y 1 g/m2 para iridio. El sobrepotencial de este electrodo se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 8>
Se disolvieron nitrato de Ni, nitrato de Co y nitrato de Ru en agua pura en cantidades que produjeron 29% en moles de níquel, 58% en moles de cobalto y 13% en moles de rutenio, formando así una solución de recubrimiento. Esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo 1. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico con circulación de aire (350°C, 15 minutos). Estas etapas se realizaron 4 veces, obteniendo así una capa de catalizador mixta en la que el catalizador de RuO2 estaba muy disperso dentro de la capa de catalizador de NiCo2O4. Las cantidades de los componentes del catalizador dentro de la capa de catalizador, calculadas como las cantidades de los metales componentes, fueron 4 g/m2 para níquel y cobalto, y 1 g/m2 para rutenio. Se midió el sobrepotencial del electrodo utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo 9>
Se disolvieron nitrato de Ni, nitrato de Co y nitrato de Ru en agua pura en cantidades que produjeron 29% en moles de níquel, 58% en moles de cobalto y 13% en moles de rutenio, formando así una solución de recubrimiento. Esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo 1. Posteriormente, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico con circulación de aire (450°C, 15 minutos). Estas etapas se realizaron 4 veces, obteniendo así una capa de catalizador mixta en la que el catalizador de RuO2 estaba muy disperso dentro de la capa de catalizador de NiCo2O4. Las cantidades de los componentes del catalizador dentro de la capa de catalizador, calculadas como las cantidades de los metales componentes, fueron 4 g/m2 para níquel y cobalto, y 1 g/m2 para rutenio. Se midió el sobrepotencial del electrodo utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
<Ejemplo comparativo 1>
Se grabó una malla de níquel durante 3 minutos en ácido clorhídrico al 20% hirviendo y a continuación, se horneó a 500°C durante 30 minutos para preparar un electrodo de níquel. El sobrepotencial de ese electrodo se midió en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C, a densidades de corriente de 4 kA/m2 y 6 kA/m2.
<Ejemplo comparativo 2>
Se disolvieron nitrato de Ni y el nitrato de Co en agua pura en cantidades que produjeron 33,3% en moles de níquel y 66,7% en moles de cobalto, formando así una solución de recubrimiento. Esa solución de recubrimiento se aplicó al sustrato producido en el Ejemplo comparativo 1 en una cantidad que proporcionó una cantidad de metal de 1 g/m2 por aplicación, y a continuación, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico de circulación de aire (350°C, 15 minutos). Estas etapas se realizaron 4 veces, produciendo así un electrodo que contenía una cantidad de metal de 4 g/m2. El sobrepotencial de ese electrodo se midió en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C, a densidades de corriente de 4 kA/m2 y 6 kA/m2.
<Ejemplo comparativo 3>
Se produjo un electrodo utilizando el mismo método que en el Ejemplo Comparativo 2. La temperatura de cocción se fijó a 450°C. El sobrepotencial del electrodo se midió en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C, a densidades de corriente de 4 kA/m2 y 6 kA/m2.
<Ejemplo comparativo 4>
Se produjo un electrodo utilizando el mismo método que en el Ejemplo Comparativo 2. La temperatura de cocción se fijó en 550°C. El sobrepotencial del electrodo se midió en una solución al 25% en peso de hidróxido de potasio a 80°C, a densidades de corriente de 4 kA/m2 y 6 kA/m2.
<Ejemplo comparativo 5>
Se disolvieron nitrato de Ni, nitrato de Co y nitrato de La en agua pura en cantidades que produjeron 10% en moles de níquel, 40% en moles de cobalto y 50% en moles de lantano, preparando así una solución de recubrimiento. Esta solución de recubrimiento se aplicó al sustrato preparado en el Ejemplo Comparativo 1, y a continuación, se realizó la descomposición térmica en un horno eléctrico con circulación de aire (350°C, 15 minutos), formando así una capa de catalizador. El sobrepotencial se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo Comparativo 1.
<Resultados>
Los resultados se muestran en la Tabla 1.
En los ejemplos 1, 4, 6, 7 y 8, el sobrepotencial fue el más bajo, con valores de 218 a 224 mV a 4 kA/m2 y de 230 a 234 mV a 6 kA/m2.
En contraste, con el electrodo de Ni del Ejemplo Comparativo 1, el sobrepotencial de oxígeno fue extremadamente alto, con valores de 320 mV a 4 kA/m2 y 340 mV a 6 kA/m2. Incluso con el NiCo2O4 de los ejemplos comparativos 2 a 4, el sobrepotencial fue de 276 a 325 mV a 4 kA/m2 y de 284 a 332 mV a 6 kA/m2. Incluso con el LaNi0 2Co0,8O3 del Ejemplo Comparativo 5, el sobrepotencial fue alto, con valores de 287 mV a 4 kA/m2 y 297 mV a 6 kA/m2.
Tabla 1
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000013_0001
En la Tabla 1, "IrO2 en NÍC02 O4" significa que la capa de catalizador de IrO2 se apiló sobre la superficie del NÍC02 O4. "IrO2 en NiCo2O4" significa una capa mixta en la que el IrO2 había sido mezclado dentro del NiCo2O4. Estos significados de "sobre" y "en" tienen los mismos significados para otros componentes.
<Ejemplo 10>
Los electrodos se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 1, con una cantidad de Ir variada de 0 g/m2 a 1,8 g/m2. El sobrepotencial de oxígeno se midió utilizando el mismo método que en el Ejemplo 1.
Basándose en los resultados (Figura 2) resultó evidente que se podría lograr un sobrepotencial de 220 mV para cantidades de iridio de al menos 0 , 2 g/m2.
<Prueba de electrólisis continua>
<Ejemplo 11>
Utilizando cada uno de los ánodos anteriores del Ejemplo Comparativo 1, Ejemplo 1 y Ejemplo 4, y utilizando un cátodo a base de Ru para el cátodo y una membrana a base de polietersulfona para el diafragma, se llevaron a cabo pruebas de electrólisis continuas. Se utilizó la celda ilustrada en la FIG. 3, y el voltaje se midió en condiciones que incluían 25% KOH, 80°C y 40 A/dm2.
Los resultados revelaron un voltaje de celda de 1,72 V para el Ejemplo comparativo 1. Por el contrario, el voltaje de la celda fue 1,64 V para el Ejemplo 1 y 1,69 V para el Ejemplo 4, y los voltajes fueron estables.
Descripción de los signos de referencia
1: Sustrato de níquel
2: Primera capa de catalizador
3: Segunda capa de catalizador
4: Capa de catalizador mixta
5: Ánodo
6 : Diafragma
7: Cátodo
8 : Cámara de ánodo
9: Cámara de cátodo

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un ánodo para la electrólisis de agua alcalina que comprende un sustrato conductor que tiene al menos una superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y una capa de catalizador del electrodo formada sobre la superficie del sustrato conductor, en donde
un componente catalizador que constituye la capa de catalizador del electrodo comprende:
un primer componente catalizador que tiene un óxido de espinela de níquel-cobalto representado por una fórmula estructural NiCo2O4, o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto representado por una fórmula estructural XNiaCo-i_aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1), y
un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio, en donde la cantidad del segundo componente catalizador, calculada como una cantidad de un componente metálico, es al menos 0,2 g/m2
2. El ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 1, en donde la fórmula estructural del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto es XNi0,2Co0,8O3.
3. El ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 1, en donde el lantánido es lantano y el óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto es un óxido de perovskita de lantano-níquel-cobalto.
4. El ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 1, en donde la capa de catalizador del electrodo se forma a partir de una mezcla del primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
5. El ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 1, en donde la capa de catalizador del electrodo está compuesta por una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada en la que una primera capa de catalizador formada a partir del primer componente catalizador y una segunda capa de catalizador formada a partir del segundo componente catalizador están apiladas.
6. El ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 5, en donde la primera capa de catalizador se forma sobre la superficie del sustrato conductor y la segunda capa de catalizador se forma sobre una superficie de la primera capa de catalizador.
7. Un método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina que comprende:
una etapa de aplicación, a una superficie de un sustrato conductor que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, de una primera solución que es una solución obtenida mezclando iones de níquel e iones de cobalto de modo que la razón molar entre cantidades de los metales respectivos sea 1:2, o una solución obtenida mezclando iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, junto con iones de níquel e iones de cobalto, de modo que la razón molar entre las cantidades de los metales respectivos sea 1:a:1-a (0<a<1), y de una segunda solución que contiene al menos uno de los iones de iridio y rutenio, y
una etapa de sometimiento del sustrato conductor a un tratamiento térmico a una temperatura de 350°C a 550°C en una atmósfera que contiene oxígeno, formando así una capa de catalizador del electrodo compuesta de un primer componente catalizador que tiene representado un óxido de espinela de níquelcobalto por una fórmula estructural NiCo2O4, o un óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto representado por una fórmula estructural XNiaCo-i_aO3 (en donde X representa al menos un metal seleccionado entre lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio, y 0<a<1), y un segundo componente catalizador que tiene al menos uno de óxido de iridio y óxido de rutenio, en donde una cantidad del segundo catalizador componente, calculado como una cantidad de un componente metálico, es de al menos 0,2 g/m2.
8. El método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con la Reivindicación 7, en donde se aplica una mezcla de la primera solución y la segunda solución a la superficie del sustrato conductor que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y el sustrato conductor se somete a continuación, a un tratamiento térmico, formando así una capa de catalizador del electrodo en la que se mezclan el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
9. El método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con la Reivindicación 7, en donde la primera solución y la segunda solución se aplican por separado a la superficie del sustrato conductor que tiene al menos la superficie compuesta de níquel o una aleación a base de níquel, y el sustrato conductor se somete a un tratamiento térmico después de la aplicación de cada solución, formando así una capa de catalizador del electrodo con una estructura apilada en la que se apilan el primer componente catalizador y el segundo componente catalizador.
10. El método para producir un ánodo para la electrólisis de agua alcalina según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde el tratamiento térmico se realiza a una temperatura de 350°C a 400°C en una atmósfera que contiene oxígeno.
11. El método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en donde el óxido de perovskita de lantánido es un óxido de perovskita de lantano-níquelcobalto, en donde una fórmula estructural del óxido de perovskita de lantánido-níquel-cobalto es XNi0,2Co0,8O3, en donde el lantánido es lantano, o en donde los iones metálicos de al menos un metal seleccionado entre lantánidos que incluyen lantano, cerio y praseodimio son iones de lantano.
12. El método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 8, en donde la segunda solución es una solución ácida.
13. El método para producir un ánodo para electrólisis de agua alcalina según la Reivindicación 9, en donde la segunda solución es una solución alcalina.
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