[发明专利]用于氯化氢电解的电解槽

说明书

本发明涉及一种用于氯化氢电解的装置，其包括一个基于氮掺杂的碳纳米管(NCNT)的、耗氧的气体扩散电极。

在化学工业中产生大量的氯化氢水溶液。尤其是在生产芳香族和脂肪族的异氰酸盐中是这种情况。在工业上通常通过氯化氢电解从含有氯化氢的溶液中回收氯。为了降低能量成本，在阴极侧上例如使用耗氧的气体扩散电极。

这种耗氧的气体扩散电极常常使用催化剂，以便降低所需要的电池电压。这些催化剂在许多情况下包括贵金属，贵金属盐或贵金属化合物，例如铂或铑，因此该催化剂一般都非常昂贵。

US6,149,782公开了一种包括硫化铑(RhS_x)的催化剂，借助于它可以还原氧。该催化剂，必要时和一种粘合剂一起，被施加到一个可传导的网上，并且因此形成一个在施加电压情况下适合于氧还原的电极。铑是稀少的并且因此是昂贵的材料，因此使用所公开的电极与基于其它贵金属的电极一样具有相同的经济上的缺陷。基于硫化铑的电极的另一个缺陷是它们在阴极侧上的性能，在高的电流密度下氧还原的敏感性降低并且可以形成副产品的氢。这限制了在工业上可以实现的电流密度，在该电流密度下在电极上的氧的还原仍然可以可靠地运行。

在US7,074,306中，通过使用铂铑硫化物克服了这个缺陷。按照该公开文献，由此即使在高的电流密度也阻止了在O₂气流中氢的积聚。但是，这种电极与前述电极至少在经济上是一样不利的，因为铑和铂的组合进一步提高了电极的价格。

US2006/0249380公开了可以在氯化氢水溶液的电解中用作催化剂材料的另一些合适的物质。除了上述贵金属，铑和铂，以外，也公开了铱，铼，钌和钯，它们的硫化物和氧化物以及尤其是与钼和/或硒的混合相作为可能的催化活性材料。没有公开起催化作用是基于贵重金属或过渡金属元素的材料组合。

使用这种贵金属催化剂也具有缺陷，因为在氯化氢电解中在电极运行期间也不能够在阴极侧可靠地防止催化剂与氯和/或盐酸接触并且所述材料在与氯和/或盐酸接触时形成盐，其可以从电极材料中沥滤出去。由此电极的性能随着运行周期的增加而可能变差并且电极的寿命由于催化剂材料的消耗而受到限制。

WO2005/035841公开了一种用于在可导电的表面上制造氮掺杂的碳纳米管的工艺，其中从一个气相直接沉淀氮掺杂的碳纳米管。由此得到可以在蓄电池或燃料电池中用于氧的还原的电极。所公开的氮掺杂的碳纳米管避免了使用昂贵的贵金属或过渡金属作为催化剂的需要。

在可传导的材料的表面上直接沉淀氮掺杂的碳纳米管只能够有限地实现沉淀材料的层厚的改变。由此要考虑到沉积的氮掺杂的碳纳米管具有小的层厚。在氯化氢电解中，对于本领域的技术人员来说通常已知的是，通常不可能防止氯通过膜从阳极侧到阴极侧的一定的泄露。该氯一般在阴极侧又被还原成氯化物。但是，过薄的电催化活性层，如按照WO2005/035841的公开内容所获得的，在这个技术领域中使用时是不利的，因为必须考虑到对催化剂层下面的材料的腐蚀作用。此外，在薄的催化剂层中不可能提供足够数量的用于期望的反应的活性中心，因此不可能实现在高电流密度下的工业上可行的运行。此外，WO2005/035841没有公开任何具有可在氯化氢的电解中使用的反电极(阳极)的合适的布置(布线)。

因此，本发明的目的是提供一种用于氯化氢电解的、包括一个耗氧的气体扩散电极设备，该设备在很大程度上或完全地放弃了使用昂贵的贵金属和/或过渡金属并且包括在运行期间不被消耗或去激活的催化材料以及在电极上的氧还原方面，与已知材料相比，也具有增大的选择性。

令人惊奇地发现一种用于氯化氢电解的设备可以实现这个目的，该设备的特征在于，它包括一个带有电极(1)的电极室(A)，该电极具有一个芯(1a)，在该芯上施加有一个包括至少一定比例的氮掺杂的碳纳米管(NCNT)的层(1b)和另一个带有电极(2)的电极室(B)，其中电极室(A)和电极室(B)由一个膜(M)分开并且电极(1和2)经一个电源(S)相互导电地连接。