ISBN 978-3-8439-2809-0

978-3-8439-2809-0, Reihe Verfahrenstechnik

Philipp Frania
Herstellung, Analyse und Optimierung von Sauerstoffverzehrkathoden mit elektrochemisch abgeschiedenem Silberkatalysator zum Einsatz in der Chlor-Alkali-Elektrolyse

163 Seiten, Dissertation Technische Universität Dortmund (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Mit Hilfe von Sauerstoffverzehrkathoden (SVK) kann der elektrische Energiebedarf der Chlor-Alkali-Elektrolyse - einem der energieintensivsten Verfahren der chemischen Industrie - um etwa 30% gesenkt werden. Bei den derzeit verwendeten Elektroden ist jedoch ein großer Anteil des verwendeten Silberkatalysators ungenutzt. Mit Hilfe des neuen Herstellungsverfahrens sollen der Katalysatorbedarf gesenkt und die Katalysatorausnutzung optimiert werden. Es basiert auf der elektrochemischen Einbringung von kontaktierten, hochfeinen Silberstrukturen, ausgehend von einer leitfähigen Struktur in ein poröses, hydrophobes Substrat. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ein Verfahren sowie eine Apparatur entwickelt, um diese neuartigen Elektroden reproduzierbar herzustellen. Des Weiteren erfolgten ein Materialscreening und die anschließende Elektrodenoptimierung mit Hilfe eines statistischen Versuchsplans.

Ausgehend von einem gewalzten Metallnetz als leitfähige Struktur und einer multidirektional gereckten Polytetrafluorethylen-Membran als poröse, hydrophobe Struktur wurden weitere Untersuchungen und Optimierungszyklen durchgeführt. Die Herstellung der Elektrode erfolgte unter Durchströmen der auf dem Metallnetz aufliegenden Membran. Mittels einer zweistufigen Abscheidung aus verschiedenen Elektrolyten gelang es, zunächst eine ausreichende Haftung zwischen beiden Materialien zu erreichen und anschließend elektrokatalytisch aktive, feine Silberstrukturen einzubringen. Die Abscheidung der katalytisch aktiven Strukturen mit hohem Oberflächen/Volumen- Verhältnis wurde durch gepulsten Gleichstrom aus phosphorsaurer Silbernitratlösung durchgeführt. Aus einem umgesetzten Versuchsplan folgte das optimale Verhältnis von Silbernitratkonzentration, Pulsstromstärke und Pulsdauer. Die Phosphorsäure hatte schon bei einer geringen Konzentration einen positiven Effekt. Mittels Erhöhung der Elektrodendicke, im Versuchsplan durch mehrere Membranlagen realisiert, konnte die Elektrodenleistung nur begrenzt gesteigert werden.

Der Betrieb der Elektroden war sowohl in einer Halbzelle als auch in einer Chlor- Alkali-Laborzelle für etwa vier Wochen möglich, wobei die Elektroden technische Stromdichten von 4 bzw. 6 kA/m² erreichten. Damit scheinen Folgeuntersuchungen bis hin zur technischen Realisierung möglich.