[发明专利]Fe3AlTa(Ru)型合金和其作为用于氯酸钠的合成的电极材料或作为耐腐蚀涂层的用途

说明书

发明领域

本发明涉及基于Fe、Al、Ta和催化物种如Ru的新催化合金。

本发明还涉及这种催化合金作为用于氯酸钠的合成的电极材料的用途。

技术背景

最近公开了下式的纳米晶合金

Fe_3-xAl_1+xM_yT_z

其中

M表示选自由以下各项组成的组的至少一种催化物种：Ru、Ir、Pd、Pt、Rh、Os、Re和Ag；

T表示选自由以下各项组成的组的至少一种元素：Mo、Co、Cr、V、Cu、Zn、Nb、W、Zr、Y、Mn、Cd、Si、B、C、O、N、P、F、S、Cl和Na；

x是大于-1并且小于或等于+1的数

y是大于0并且小于或等于+1的数

z是在0至+1之间的范围内的数

作为用于氯酸钠的合成的有效阴极材料(参见CA 2,687,129和对应的国际申请WO 2008/138148)。这些催化材料，当作为用于氯酸钠的电合成的阴极使用时，显示非常低的阴极超电势并且当H₂释放反应在它们的表面发生时它们不吸附氢。这些材料还在氯酸钠电解液中在典型的工业操作条件(NaClO₃：550g/l；NaCl：110g/l；NaCr₂O₇：3g/l；NaClO：1g/l；pH＝6.5和大约70℃的温度)下显示好的耐腐蚀性。

虽然这些Fe_3-xAl_1+xM_yT_z合金的耐腐蚀性在pH6.5非常好，在酸性条件下不是这样的情况。标准工业实践频繁使用酸洗以清洁电化学池和电极。为了进行这种酸洗，通常使用浓度在3％(～1M)至9％(～3M)之间变化的HCl溶液。当将上述合金与这种浓酸性溶液接触时，它们可以被严重地损坏。实际上，这些新催化合金在HCl溶液中在低pH的耐腐蚀性不是十分好。

发明内容

为解决该间题，记录的发明人研究了新的配方并且出乎意料地发现小量的Ta至这些材料的加入可以使得这些新合金不仅在氯酸盐电解液中，而且在酸性(HCl)溶液中也高度耐腐蚀，而不丧失关于氯酸钠的电化学合成的任何性能。

Fe₃Al(Ru)合金通常是通常通过机械合成(mecanosynthesis)以纳米晶形式制备的单一相固溶体。将钌和铝化铁的粉末混合物激烈地研磨数小时直至Ru催化元素进入并且高度分散至铝化铁(Fe₃Al)的立方晶体结构中。这样形成的纳米晶Fe₃Al(Ru)合金归因于其高表面积和高度分散的电催化元素是高度活性的。

本发明的发明人通过研究多种三元相图实际上发现，已知是好的耐腐蚀元素的Ta(钽)在Fe-Al合金中十分可溶。因此，具有不同Ta浓度“t”的Fe₃Al(Ru)Ta_t可以非常简单地通过机械合成作为单一相材料制备，并且这些新合金不仅对氯酸钠的电合成显示好的电催化活性，而且还显示在氯酸钠电解液中以及在浓HCl溶液中好的耐腐蚀性。

因此，本发明的第一目标是特征在于下式的合金：

Fe_3-xAl_1+xM_yT_zTa_t

其中：

M表示选自由以下各项组成的组的至少一种催化物种：Ru、Ir、Pd、Pt、Rh、Os、Re和Ag；

T表示选自由以下各项组成的组的至少一种元素：Mo、Co、Cr、V、Cu、Zn、Nb、W、Zr、Y、Mn、Cd、Si、B、C、O、N、P、F、S、Cl、Na和Ti；

x是大于-1并且小于或等于+1的数

y是大于0并且小于或等于+1的数

z是在0至+1之间的范围内的数

并且t是大于0并且小于或等于+1的数，优选小于0.4并且更优选小于或等于0.2

本发明的合金优选是纳米晶状态。如果是纳米晶，微晶小于100nm。合金还优选是具有立方晶体学结构的单一相材料，但依赖于x、y、z和t组成，也可以是多相。大部分情况下，这些合金是亚稳的。换言之，当在高温加热时它们分解或转变为不同的状态。但是再一次，它们依赖于x、y、z和t组成也可以是热力学稳定的。