[LT] Elektrolite poliarizuojamas elektrodas, sudarytas iš aukšto elektrinio laidumo laidininko (1), pageidautina iš metalo arba anglies, padengto vidiniu sluoksniu (2) iš laidžios elektros srovei polimerinės medžiagos, pasižyminčios dideliu atsparumu elektrolito poveikiui ir išlaikančios savo uždarą struktūrą elektrodo darbo metu ir tuo būdu apsaugančios laidininką nuo elektrocheminio ir cheminio poveikio. Elektrodo vidinį polimerinį sluoksnį (2) juosia išorinis sluoksnis (3) iš laidžios elektros srovei polimerinės medžiagos, kuri elektrocheminių procesų poveikyje netenka savo uždaros struktūros ir išbrinksta. Tuo būdu, didėjant jo poringumui, didėja ir elektrodo aktyvus darbinis paviršius.
[EN]
[0001] Išradimas priskiriamas elektrolite poliarizuojamiems elektrodams, sudarytiems iš aukšto elektrinio laidumo laidininko, pageidautina iš metalo arba anglies, padengto laidžios polimerinės medžiagos sluoksniu.
[0002] Šio tipo elektrodai yra žinomi ir naudojami, reali-zuojant įvairius elektrocheminius procesus, pavyzdžiui, junginių sintezę, elektrolizę, energijos kaupimą galvaniniuose elementuose, detektavimą, prieškorozinę apsaugą ir t. t.
[0003] Paprastai yra keliamas reikalavimas, kad elektrodai elektrolituose per apibrėžtą minimalų elektrodo darbo laiką užtikrintų minimalų srovės tanki,, išreikštą mA/cm . Be to, per apibrėžtą minimalų elektrodo darbo laiką turi būti užtikrinta minimali elektros energijos apykaita, išreikšta mA. val/cm .
[0004] Tinkamos šių dydžių reikšmės tam tikriems elektrolitams pasiekiamos, parenkant tinkamas medžiagas. Be to, yra svarbu sumažinti šių medžiagų sąnaudas. Siekiant sumažinti sąnaudas, šiuo metu daugelyje sričių naudojami elektrodai, kuriuos sudaro aukšto elektrinio laidumo laidininkai, pageidautina iš metalo arba anglies, padengti polimero sluoksniu, kuris dėl jame esančių papildomų medžiagų yra laidus elektros srovei.
[0005] Kadangi daugeliu atvejų šiems elektrodams būdingas per mažas polimerinio sluoksnio aktyvus paviršius, kas sąlygoja nepakankamą srovės tanki, ir mažą elektros energijos apykaitą per apibrėžtą elektrodo darbo laiką, buvo siūloma gerinti polimerinio sluoksnio paviršių, keičiant jo konfigūraciją, pavyzdžiui, ji, šiurkštinant, arba dengiant papildomu aktyviu sluoksniu, kuris surišamas nedideliu kiekiu rišančių priemonių ir kuris turi daug laidžių elektros srovei komponenčių, t. y. kuriame elektrodo aktyvus paviršius didinamas adhezinių savybių sąskaita. Vis dėlto šių, jau žinomų, elektrodų pagalba nepasiekta patenkinamų rezultatų.
[0006] Šio išradimo tikslas - sukurti stabilų aukšto aktyvumo elektrodą elektrocheminiams tikslams, kuris, esant mažoms medžiagų sąnaudoms, per apibrėžtą elektrodo darbo laiką užtikrintų minimalų srovės tanki, ir reikiamą elektros energijos apykaitą. Sprendžiant ši, uždavinį, išradime siūloma formuoti elektrodo apvalkalą mažiausiai iš dviejų sluoksnių: vidinio sluoksnio, betarpiškai prigludusio prie aukšto elektrinio laidumo laidininko iš atsparios elektrolito poveikiui polimeri-nės medžiagos, ir išorinio sluoksnio, betarpiškai kontaktuojančio su elektrolitu, iš polimerinės medžiagos, keičiančios savo struktūrą elektrolito poveikyje. Pageidautina, kad elektrolite išorinis sluoksnis taptų poringu, didėtų jo tūris ir paviršius. Tokiuose elektroduose vidinis sluoksnis nepatiria struktūros pakitimų elektrocheminių ir cheminių procesų poveikyje. Tuo būdu šis sluoksnis apsaugo nuo šių poveikių aukšto elektrinio laidumo laidininką. Be to, išlieka kontaktas su išoriniu sluoksniu, kuris keičia savo struktūrą (išbrinksta) elektrocheminių ir cheminių procesų poveikyje. Išbrinkus išoriniam sluoksniui, didėja efektyvus elektrodo paviršius. Šių procesų pasėkoje elektrode didėja elektrocheminė elektros energijos apykaita.
[0007] Tuo būdu, pagal išradimą, elektrodas turi du sluoksnius: vidini, ir išorini,. Galima taip pat numatyti atvejus, kai tarp šių dviejų sluoksnių yra papildomi sluoksniai iš laidžių elektros srovei medžiagų.
[0008] Pagal išradimą sukurtus elektrodus galima taikyti, pavyzdžiui, elektrocheminiuose ir elektrokinetiniuose metoduose (elektrolizėje, elektroforezėje, elektro-osmose), be to juos galima naudoti kaip jautrius elementus ir apsaugant metalus nuo korozijos.
[0009] Elektrodas pagal išradimą gali poliarizuotis įtampos, reikalingos vieno ar kito jo panaudojimo atveju, poveikyje, o taip pat tais atvejais, kai prijungtoji įtampa viršija teorinę elektrolizės įtampą 1,23 V arba yra šios įtampos kartotinis dydis.
[0010] Pageidautina, kad vidinis sluoksnis būtų gerai prigludęs prie aukšto elektrinio laidumo laidininko. Tokiu būdu laidininkas apsaugomas nuo cheminio ir elektrocheminio poveikio.
[0011] Pageidautina, kad vidinį sluoksnį sudarytų mažiausiai vienas dažniausiai nepolinis polimeras, į kurį gali būti įmaišoma tam tikra dalis polinio polimero, o išorinį sluoksnį sudarytų mažiausiai vienas, dažniau-siai polinis polimeras, į kurį gali būti įmaišoma tam tikra dalis nepolinio polimero. Pageidautina, kad vidinio sluoksnio komponente būtų polietilenas, polipropilenas arba jų mišinys. Pageidautina, kad vidinio sluoksnio komponente būtų etilenvinilacetatas, kietas arba minkštas polivinilchloridas, akrilonitril-butedien-stirol-terpolimeras, halogeniniai elastomerai arba jų mišiniai.
[0012] Priedų, kurių pagalba pasiekiamas reikiamas polimerinės medžiagos laidumas, kiekiai parenkami tokiu būdu, kad polimerinis sluoksnis būtų atsparus oksidacijai ir anijonų tarpsluoksninei apykaitai, be to, elektrolizės procese polimerinis sluoksnis turi likti laidus.
[0013] Šiais priedais gali būti ir metalo dalelės, tačiau jų naudojimas nepageidautinas jau vien dėl jų brangumo. Dėl to pageidautina, kad į abu polimerinius sluoksnius būtų įmaišoma suodžių, grafito miltelių, anglies
[0014] pluošto, grafito pluošto arba šių medžiagų mišinių. Reikiamą elektrini, laidumą galima pasiekti, į abu sluoksnius įmaišant laidžių elektros srovei polimerų.
[0015] Sluoksnių sudėtis, t. y. laidžių komponenčių ir nelai-džių arba mažai laidžių elektros srovei komponenčių santykis parenkamas taip, kad abiejų sluoksnių santykinė varža būtų 1-lOOOomų/cm. Tai pasiekiama, pagal išradimą, įmaišant d, polimerus, sudarančius polimerinius sluoksnius, 5-70 %, pageidautina apie 20 tūrio procentų, laidžių priedų.
[0016] Aukšto elektrinio laidumo laidininkas pagamintas, pageidautina, iš metalo arba anglies, gali turėti skritulio formos skerspjūvį, tačiau jis gali būti ir plokščios formos. Šiuo atveju pageidautina, kad elektrodo laidininkas būtų tinklelis, pageidautina valcuoto metalo tinklelis, arba audeklas. Taip pat svarbu, kad kontaktuojančio paviršiaus plotas būtų maksimalus. Laidininko skerspjūvis turi atitikti elektros srovės reikšmę.
[0017] Elektrodo pagal išradimą gamyba žymiai palengvinama, jeigu aukšto elektrinio laidumo laidininkas dengiamas dviem polimeriniais sluoksniais, naudojant ekstruzijos, liejimo slegiant arba karšto presavimo technologinius procesus. Šiuo atveju elektrodo pagal išradimą gamybai tinka žinoma plastmasių apdorojimo technologinė įranga. Sumaišius plastmasės komponentes ir homogenizavus plastmasę, ją galima granuliuoti, o gautas granules naudoti kaip tarpinį produktą arba galima tiesiogiai iš jos formuoti gaminį.
[0018] Optimalūs rezultatai gaunami tuomet, kai abiejų polimerinių sluoksnių storiai yra 0,2-5 mm.
[0019] Elektrodai pagal išradimą gali būti gaminami bet kokio ilgio juostos formos. Jie taip pat gali būti plokšti ir bipoliniai.
[0020] 1 pav. vaizduoja erdvini, cilindro formos elektrodo, kurio aukšto elektrinio laidumo laidininko skerspjūvis yra skritulys, vaizdą. 2 pav. yra duota elektrodo, pavaizduoto 1 pav., modifikacija, kurios darbinis paviršius yra didesnis. 3 pav. vaizduoja plokščios formos elektrodą, kuriame polimeriniai sluoksniai tėra vienoje plokščio aukšto elektrinio laidumo laidininko pusėje. 4 pav. duotas plokštės formos elektrodas, kuriame polimeriniai sluoksniai iš visų pusių dengia laidininką. 5 pav. duotas tuščiavidurio cilindrinio elektrodo, kuriame aukšto elektrinio laidumo laidininkas iš abiejų pusių yra padengtas polimeriniais sluoksniais, vaizdas.
[0021] Elektrodą pagal išradimą sudaro aukšto elektrinio laidumo laidininkas 1 iš metalo arba anglies, kuri, juosia vidinis sluoksnis 2 iš laidžios polimerinės medžiagos, ir išorinis sluoksnis 3 iš laidžios polimerinės medžiagos, kurios paviršius 4 yra efektyvus elektrodo darbinis paviršius. Polimerinių sluoksnių 2, 3 elektrinis laidumas yra pasiekiamas, įmaišant i, juos suodžių, grafito miltelių, anglies arba grafito pluošto, arba šių medžiagų mišinių. Be to, galima įmaišyti ir laidžių elektros srovei polimerų.
[0022] Vidinis sluoksnis 2, juosiantis aukšto elektrinio laidumo laidininką 1, sudarytas iš daugiausia nepolinės polimerinės medžiagos, kuri elektrocheminių procesų poveikyje išlaiko savo struktūrą ir tanki, ir tuo pačiu apsaugo aukšto elektrinio laidumo laidininką 1 nuo elektrocheminio ir cheminio poveikio, kartu elektriškai jungdama laidininką 1 su išoriniu sluoksniu 3.
[0023] Skirtingai nuo vidinio sluoksnio, išorini, sluoksni, sudaro daugiausia polinė medžiaga, kuri, veikiant elektrocheminiams procesams paviršiuje 4, keičia savo uždarą struktūrą ir plečiasi, tapdama poringa. Tuo būdu didėja efektyvus vidinis ir išorinis paviršiai, kas didina elektrocheminės elektros energijos apykaitą elektrode.
[0024] Elektrodas, pavaizduotas 2 pav., skiriasi nuo pavaizduoto 1 pav. tuo, kad jame yra iškilumai 3. Taip padidinamas efektyvus elektrodo darbinis paviršius. 3 pav. pavaizduotas plokštės formos elektrodas, kuri, sudaro tinklelio arba audeklo pavidalo aukšto laidumo laidininkas 1, tik iš vienos pusės padengtas sluoksniais 2, 3. 4 pav. pateiktas variantas, kurio atveju plokščias aukšto elektrinio laidumo laidininkas iš abiejų pusių dengiamas sluoksniais 2, 3. Kaip ir 1, 2 pav. pavaizduotais atvejais, visas laidininkas yra polimerų apvalkale. 5 pav. pavaizduotas tuščiavidurio cilindro formos elektrodas. Šiuo atveju cilindro formos aukšto elektrinio laidumo laidininkas 1 iš abiejų pusių apsuptas cilindriniais polimerinių medžiagų sluoksniais 2, 3; tuo būdu jis visas yra polimerų apvalkale.
[0025] Elektrolitas šiuo atveju kontaktuoja su išoriniu elektrodo paviršiumi 4'. Be to, užpildydamas vidini, cilindrinio elektrodo tūri, 6, elektrolitas kantaktuoja ir su vidiniu elektrodo paviršiumi 4''.
[0026] Žemiau, remiantis pavyzdžiais, palyginami žinomi ir pagal išradimą pagaminti elektrodai. Elektrodų stabilumas buvo tikrinamas elektrolize NaCl (5 %) elektrolite galvanostatinėmis sąlygomis (pastovios srovės tankis 1 mA/cm ) . Po 50 valandų buvo užrašomos srovės ir įtampos reikšmės, atsižvelgus arba neatsižvelgus i, omini, įtampos kritimą.
[0027] Elektrodo pagal išradimą išorinio sluoksnio gamybai skirtas etilvinilacetato kopolimeras ir 25 % suodžių mišinys buvo ekstruderyje plastifikuoj amas ir granuliuoj amas.
[0028] Išoriniam sluoksniui skirtas žemo spaudimo polietileno ir suodžių mišinys tap pat buvo granuliuojamas ekstruderyje.
[0029] Po to varinis aukšto laidumo laidininkas buvo dengiamas, naudojant nepertraukiamą ekstruzijos procesą, vidiniu 1,5 mm storio sluoksniu. Tas pats procesas buvo naudojamas ir sekančiame etape, dengiant vidini, sluoksnį išoriniu 2 mm sluoksniu.
[0030] Palyginamaisiais elektrodais buvo tos pačios formos viensluoksniai elektrodai. Pirmasis palyginamasis elektrodas buvo pagamintas iš varinio laidininko, dengto vieninteliu polimeriniu sluoksniu iš tos pačios medžiagos, kaip ir sukurto pagal išradimą elektrodo išorinis polimerinis sluoksnis. Antrasis palyginamasis elektrodas buvo gaminamas analogiškai, tačiau laidus polimerinis sluoksnis buvo pagamintas iš tos pačios medžiagos, kaip ir sukurto pagal išradimą elektrodo vidinis sluoksnis.
[0031] Palyginamieji elektrodai buvo nardinami i, elektrolitą, po to prie jų buvo prijungiama įtampa. Bandymų duomenys buvo registruojami analogiškai, kaip ir elektrodų pagal išradimą atveju.
[0032] Lentelėje pateikti elektrodų bandymų duomenys.
[0033] Elektrodas pagal išradimą
[0034] Elektrodas pagal išradimą elektrolizės metu buvo anodas. Tos pačios konstrukcijos katodas visų bandymų metu nekeitė nei savo charakteristikų, nei išorinio vaizdo.
[0035]
[0036] Bandymų metu buvo stebėtas nežymus tos pačios konstrukcijos katodų ominės varžos ir darbinio potencialo didėjimas.
1.Elektrodas, skirtas elektrocheminiams procesams, sudarytas iš didelio elektrinio laidumo laidininko, kurio išorėje yra apvalkalas iš polimerinės medžiagos, besiskiriantis tuo, kad jo apvalkalas yra pagamintas iš mažiausiai dviejų sluoksnių: vidinio, prigludusio prie laidininko sluoksnio, padaryto iš stabilaus elektrolito atžvilgiu polimero, ir išorinio sluoksnio, kontaktuojančio su elektrolitu, padaryto iš nestabilaus elektrolito atžvilgiu polimero.
2.Elektrodas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad jo vidinis sluoksnis glaudžiai apgaubia laidininką.
3.Elektrodas pagal 1 ir 2 punktus, besiskiriantis tuo, kad jo vidinis sluoksnis pagamintas iš nepolinės polimerinės medžiagos.
4.Elektrodas pagal 1-3 punktus, besiskiriantis tuo, kad jo išorinis sluoksnis pagamintas iš polinės polimerinės medžiagos.
5.Elektrodas pagal 1-4 punktus, besiskiriantis tuo, kad apvalkalo polimerinėje medžiagoje yra dar ir laisvosios anglies tipo medžiagos.
6.Elektrodas pagal 5 punktą, besiskiriantis tuo, kad apvalkalo polimerinėje medžiagoje yra 25% laisvosios anglies tipo medžiagos.
7.Elektrodas pagal 1-6 punktus, besiskiriantis tuo, kad laidininkas yra cilindro formos.
8.Elektrodas pagal 1-6 punktus, besiskiriantis tuo, kad laidininkas yra plokščias ir padarytas iš metalinio tinklelio arba audinio.
9.Elektrodas pagal 1-8 punktus, besiskiriantis tuo, kad apvalkalo vidinis sluoksnis yra 1-3 mm storio, o išorinis sluoksnis - 2-4 mm storio.