Способ изготовления оксидно-никелевого электрода
Владельцы патента RU 2406185:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)
Изобретение относится к прикладной электрохимии и предназначено для совершенствования технологии производства оксидно-никелевого электрода, применяемого в качестве положительного электрода в химических источниках тока и процессах электрохимического синтеза. Способ включает изготовление основы электрода и формирование активной массы, при этом в качестве основы электрода используют углеродное волокно, которое предварительно химически никелируют в растворе металлизации, затем слой никеля доращивают электрохимически до 5-10 мкм при катодной плотности тока 3-5 А/дм2 и температуре 40-45°С в растворе сульфаминовокислого никеля, далее никелированное углеродное волокно подвергают пропитке в растворе азотнокислого никеля, в ходе которой проводят стадию обработки горячим раствором 5 моль/л гидроксида калия при катодной плотности тока 8-10 А/дм2 в течение 10-20 минут. Технический результат: сокращение расходов дорогостоящего никеля и его сплавов, отсутствие необходимости проведения высокотемпературных реакций, исключение дополнительного механического оборудования из технологического процесса.
Изобретение относится к прикладной электрохимии и предназначено для совершенствования существующей технологии производства оксидно-никелевого электрода (ОНЭ). Широкое распространение получило использование ОНЭ в качестве положительного электрода в щелочных аккумуляторах /Дасоян М.А. Химические источники тока. - М.-Л.: Госэнергоиздат., 1961. - С.158-161/, перспективным направлением является применение ОНЭ в электрохимическом синтезе органических веществ.
Известный промышленный способ изготовления металлокерамического ОНЭ достаточно трудоемок, так как основу электрода - высокопористую никелевую пластину - изготавливают методом спекания в водородной атмосфере при температуре 900°С из смеси порошкообразного карбонильного никеля с порообразователем, например, с карбамидом /Вырыпаев В.Н. Химические источники тока. - М.: Высшая школа, 1990. - С.220/.
Существенными недостатками этого способа являются применение высоких температур, а также использование дорогостоящего карбонильного никеля при изготовлении основы электрода.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ изготовления ОНЭ / патент РФ №2224336. Оксидно-никелевый электрод и способ его изготовления / Баженов М.Д., Матренин В.И., Щипанов И.В. - Заявл. 28.01.2002; Опубл. 20.02.2004 /, который включает в себя следующие основные стадии:
1) изготовление каркаса (основы электрода), выполненного из никелевой сетки (или никельсодержащего сплава, или стали с никелевым покрытием);
2) формирование активной массы.
Однако расход дорогостоящего никеля на изготовление основы электрода, а также необходимость проведения трудоемких операций (просечка металлической ленты, вальцевание, спекание и т.д.) в ходе сборки всех составляющих ОНЭ делают этот способ недостаточно экономически эффективным. Кроме того, фиксация пористых слоев активной массы происходит в результате запрессовывания в поверхность электрода, что требует применения дополнительного механического оборудования. Существенным недостатком также является то, что в процессе эксплуатации активная масса подвержена оплыванию и вымывается с поверхности электрода.
Задача предлагаемого изобретения - создать способ изготовления оксидно-никелевого электрода с использованием никелированного углеродного волокна (УВ) в качестве основы, а также усовершенствовать существующую технологию пропитки электрода, что позволит снизить себестоимость изделия в несколько раз и упростить процесс производства электрода в целом.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что способ изготовления оксидно-никелевого электрода заключается в том, что в качестве основы электрода используют углеродное волокно, которое предварительно химически никелируют в растворе металлизации, затем слой никеля доращивают электрохимически до 5-10 мкм при катодной плотности тока 3-5 А/дм2 и температуре 40-45°С в растворе сульфаминовокислого никеля, далее никелированное углеродное волокно подвергают пропитке в растворе азотнокислого никеля, в ходе которой стадию обработки горячим раствором 5 моль/л гидроксида калия проводят при катодной плотности тока 8-10 А/дм2 в течение 10-20 минут.
Преимуществом использования никелированного УВ в качестве основы для ОНЭ является сокращение расходов дорогостоящего никеля и его сплавов на изготовление каркаса электрода. Предложенная технология позволяет исключить необходимость проведения высокотемпературных реакций (отжиг, термолиз и т.д.) и использования дополнительного механического оборудования для просечки металлической ленты и запрессовывания активной массы в поверхность электрода.
Предложенный оксидно-никелевый электрод с основой из УВ имеет высокие эксплуатационные характеристики, так как активная масса менее подвержена оплыванию и вымыванию с поверхности электрода благодаря волоконной структуре, что определяет экономическую эффективность разработанной методики.
Операция пропитки в растворе азотнокислого никеля была усовершенствована за счет того, что стадию обработки горячим раствором 5 моль/л гидроксида калия проводили при катодной плотности тока 8-10 А/дм2 в течение 10-20 минут. В результате время на проведение стадии обработки раствором щелочи сокращается в 6-12 раз, а длительность всего технологического процесса на 24-26% без ухудшения эксплуатационных характеристик оксидно-никелевых электродов.
Сравнение предлагаемого способа и способа-прототипа позволяет сделать следующее заключение: применение никелированного УВ в качестве основы оксидно-никелевого электрода упрощает в целом технологический процесс и значительно снижает себестоимость производимого изделия.
Технология изготовления оксидно-никелевого электрода включает в себя нанесение никелевого покрытия химическим способом на предварительно обезжиренную поверхность УВ при кратковременной катодной поляризации в течение 30-60 с плотностью тока 1-1,5 А/дм2 / патент РФ №2334020. Способ получения никелевого покрытия на материалах из углеродного волокна / Селиванов В.Н., Морозова А.П. - Заявл. 04.12.2006; Опубл. 20.09.2008 / в растворе металлизации следующего состава, г/л:
хлорид никеля 30
янтарная кислота 12
фторид натрия 2
гидроксид натрия 6
калий фосфорноватистокислый 4.
Температура раствора металлизации 90-95°С.
Затем слой никеля доращивают до толщины 5-10 мкм электрохимически при катодной плотности тока 3-5 А/дм2 в растворе с содержанием никеля сульфаминовокислого 300 г/л и температуре 40-45°С.
Далее никелированное УВ пропитывают в соответствии с методикой / Позин Ю.М., Штерцер Н.И. Пропитка металлокерамических электродов в растворе азотнокислого никеля при катодной поляризации. // Сборник работ по химическим источникам тока, 1970, выпуск 5. - С.80-86 / в растворе азотнокислого никеля с содержанием ионов никеля 3,00 г/л при температуре 60°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм2 в течение 5 часов. Однако затем в отличие от предлагаемой по данной методике двухчасовой обработки горячим раствором 5 моль/л гидроксида калия электрод погружали в этот раствор на 10-20 минут при катодной поляризации плотностью тока 8-10 А/дм2, что позволило сократить время этой стадии в 6-12 раз. После чего электрод промывали водой, высушивали при температуре 100-110°С и тщательно зачищали от налипшего на поверхность слоя гидроксида никеля (II). Таким образом, осуществили 3 цикла пропитки с промежуточными операциями обработки в растворе щелочи, промывки и сушки. В ходе пропитки образуется активная масса оксидно-никелевого электрода.
Последующее проведение формовочных «заряд-разрядных» циклов ОНЭ с основой из никелированного УВ осуществляли в растворе 5 моль/л гидроксида калия в гальваностатических условиях при габаритной плотности тока 0,32 А/дм2.
Таким образом, предложенная технология изготовления оксидно-никелевого электрода с основой из никелированного УВ состоит из трех последовательных операций:,
1) подготовка основы электрода - химическое и электрохимическое никелирование УВ;
2) пропитка никелированного УВ, в результате которой образуется активная масса электрода;
3) проведение формовочных «заряд-разрядных» циклов.
Пример 1.
Образец УВ площадью 12,5 см2 обезжиривают и подвергают химическому никелированию при предварительной кратковременной катодной поляризации плотностью тока 1 А/дм2 в течение 60 с, температура раствора металлизации соответствовала 95°С. Состав раствора химического никелирования, г/л:
хлорид никеля 30
янтарная кислота 12
фторид натрия 2
гидроксид натрия 6
калий фосфорноватистокислый 4.
После отключения электрического тока химическое никелирование продолжают в течение 5 минут.
Далее слой никеля доращивают электрохимически в растворе с содержанием никеля сульфаминовокислого 300 г/л в течение часа при катодной плотности тока 3 А/дм2 температуре раствора 45°С.
Вторая стадия технологического процесса: пропитка никелированного УВ в растворе азотнокислого никеля с содержанием Ni2+ 300 г/л при температуре 60°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм2, после чего УВ обрабатывают горячим раствором 5 моль/л КОН при катодной плотности тока 10 А/дм2 в течение 10 минут. Затем электрод промывают водой, высушивают при температуре 100-110°С и тщательно зачищают от налипшего на поверхность слоя гидроксида никеля (II). В результате проведения трех стадий пропитки и обработки щелочью с промежуточными операциями промывки и сушки на поверхности УВ образуется активная масса оксидно-никелевого электрода.
Заключительная стадия изготовления оксидно-никелевого электрода с основой из никелированного УВ - проведение формовочных «заряд-разрядных» циклов в гальваностатических условиях при габаритной плотности тока 0,32 А/дм2 в растворе 5 моль/л КОН.
Пример 2.
Никелирование образца УВ площадью 12,5 см2 осуществляют аналогично методике, описанной в примере 1.
Заполнение поверхности никелированного УВ активной массой проводят в азотнокислом растворе, содержащем 285 г/л ионов Ni2+ (95%) и 15 г/л ионов Со2+ (5%), при температуре 60°С и катодной плотности тока 0,5 А/дм2 с последующей обработкой в течение 15 минут горячим раствором 5 моль/л КОН при катодной плотности тока 8 А/дм2. Аналогично примеру 1 осуществляют три полные стадии пропитки.
Проведение формовочных «заряд-разрядных» циклов оксидно-никелевого электрода с основой из никелированного УВ осуществляют в растворе 5 моль/л КОН в гальваностатических условиях при габаритной плотности тока 0,32 А/дм2.
Методика изготовления ОНЭ с основой из никелированного УВ была апробирована в научно-исследовательской лаборатории электрохимического синтеза химико-технологического факультета ЮРГТУ (НПИ).
Способ изготовления оксидно-никелевого электрода, включающий изготовление основы электрода и формирование активной массы, отличающийся тем, что в качестве основы электрода используют углеродное волокно, которое предварительно химически никелируют в растворе металлизации, затем слой никеля доращивают электрохимически до 5-10 мкм при катодной плотности тока 3-5 А/дм2 и температуре 40-45°С в растворе сульфаминовокислого никеля, далее никелированное углеродное волокно подвергают пропитке в растворе азотнокислого никеля, в ходе которой проводят стадию обработки горячим раствором 5 моль/л гидроксида калия при катодной плотности тока 8-10 А/дм2 в течение 10-20 мин.
