Anodi di titanio rivestiti in platino-: selezione del substrato, spessore del rivestimento e durata

Come funziona un anodo di titanio placcato platino-

Un anodo di platino e titanio è un elettrodo composito: un substrato di titanio svolge il compito meccanico ed elettrico e un sottile strato di platino fornisce la superficie elettrochimica. La combinazione esiste perché nessuno dei due metalli funziona da solo. Il platino ha un'attività catalitica e una resistenza alla corrosione eccezionali, ma costa troppo per essere utilizzato come piastra solida. Il titanio è economico, leggero e meccanicamente resistente, ma come anodo si passiva istantaneamente e smette di condurre.

Il rivestimento inverte questo comportamento. L'elevato potenziale di sviluppo dell'ossigeno e il basso potenziale di sviluppo dell'idrogeno del platino lo rendono un materiale catodico eccellente per lo sviluppo dell'idrogeno, mentre il suo elevato sovrapotenziale di ossigeno è ugualmente utile sul lato anodico delle celle a bassa-tensione dove non si desidera la generazione di ossigeno. In pratica l'elettrodo viene scelto per qualunque lato della cella richiesto dal processo e la stessa costruzione svolge entrambi i ruoli.

Il substrato in titanio è più importante di quanto la maggior parte degli acquirenti si aspetti. Gli utenti industriali ordinano gli anodi di titanio rivestiti in quattro ampie famiglie di rivestimenti: ossido di metallo misto di rutenio-iridio, iridio-ossido di tantalio, miscele di rutenio-iridio-platino e placcatura in platino puro. Un anodo di platino e titanio ha un aspetto bianco argento- brillante con una lucentezza metallica, distinta dalla finitura opaca scura dei tipi rivestiti di ossido-.

Requisiti del substrato: titanio di grado 1 e grado 2

Il substrato è titanio non legato, normalmente Grado 1 o Grado 2 secondo ASTM B265 per piastre e fogli o ASTM B338 per tubi e maglie, con le designazioni TA1 e TA2 equivalenti secondo GB/T 3620.1. Il grado 1 è preferito per i rivestimenti più impegnativi perché il suo contenuto inferiore di ferro e ossigeno riduce il rischio di formazione intermetallica sull'interfaccia del rivestimento e di corrosione localizzata sotto lo strato di platino.

Perché rivestire la vita cade e come rallentarla

La vita dell'anodo non è un numero fisso; è una funzione di come viene utilizzato l'elettrodo. La relazione dominante è la proporzionalità inversa tra densità di corrente e durata utile. Raddoppiando la densità di corrente si dimezza più della durata utile del rivestimento, poiché il tasso di dissoluzione del platino aumenta con il potenziale applicato sulla superficie del rivestimento e la passivazione di qualsiasi titanio esposto accelera una volta che si forma un foro stenopeico.

La qualità del substrato è il secondo fattore. Se il titanio non è sufficientemente puro o se la preparazione della superficie lascia residui di ossido o contaminazione, lo strato di platino perde adesione e il metallo base si corrode sotto il rivestimento. Una volta che si apre un difetto, il titanio esposto si passiva immediatamente e l’intero elettrodo può cedere in quel punto anziché gradualmente su tutta la superficie.

La chimica degli elettroliti è il terzo e meno tollerante fattore. Il titanio viene attaccato dal fluoro e gli ioni fluoruro distruggono un anodo rivestito da sotto lo strato di platino anche a bassa concentrazione. Devono essere escluse anche le specie di cianuro e solfuro. Laddove un processo non può evitare questi ioni, l'anodo è la tecnologia dell'elettrodo sbagliata e si dovrebbe invece prendere in considerazione un substrato di niobio o tantalio, poiché entrambi resistono all'attacco del fluoro molto meglio del titanio.

La disciplina operativa fa il resto. L'inversione di polarità viene talvolta utilizzata deliberatamente per rimuovere un rivestimento passivato durante la ristrutturazione, motivo per cui non deve mai essere applicata a un anodo in servizio. Anche lasciare un elettrodo immerso nell'elettrolita senza flusso di corrente degrada il rivestimento, quindi le celle dovrebbero essere diseccitate e drenate insieme anziché lasciate bagnate.

Gestione, archiviazione e protezione in-servizio

Lo strato di platino è sottile e un graffio che lo rimuove crea un punto di rottura permanente. Gli anodi rivestiti devono essere maneggiati con guanti puliti, conservati in modo che le superfici non possano sfregare l'una contro l'altra e mai puliti con mezzi abrasivi o strumenti metallici. Un difetto del rivestimento più piccolo di un millimetro, in un elettrolita cloruro, si corrode verso l'esterno e si passiva sufficientemente rapidamente da aumentare la tensione della cella in pochi giorni.

Anche le condizioni di conservazione contano. Gli elettrodi devono essere mantenuti asciutti e protetti dai fumi acidi e qualsiasi anodo rimosso da una cella deve essere risciacquato con acqua demineralizzata e asciugato prima di essere immagazzinato. L'elettrolita residuo lasciato sulla superficie si concentrerà mentre si asciuga e attaccherà il bordo del rivestimento.

Laddove l'applicazione prevede l'elettrolisi dell'acqua, la generazione di acqua ionizzata o la produzione di acqua sterilizzante, le specifiche pratiche sono solitamente scritte in base al tipo di substrato, alla forma del substrato, allo spessore del platino, alla copertura del rivestimento e a un limite di densità di corrente piuttosto che alla sola chimica del rivestimento. Gli acquirenti dovrebbero insistere affinché lo strato di platino venga specificato in massa per unità di area o in spessore, poiché un rivestimento indicato solo come presente non dice loro nulla sulla durata prevista.

Applicazioni in cui gli anodi di platino e titanio sono standard

Le celle per la generazione di idrogeno utilizzano titanio rivestito di platino-come catodo, dove la bassa sovratensione dell'idrogeno mantiene bassa la tensione della cella. Gli ionizzatori d'acqua e i generatori di acqua elettrolizzata per la sterilizzazione utilizzano la stessa struttura, spesso come rete o piastra perforata per offrire un'ampia area di lavoro in una cella compatta. La generazione di acqua elettrolizzata e ipoclorito trae vantaggio dalla superficie del platino perché tollera le condizioni fortemente ossidanti dell'anodo senza la rapida perdita di rutenio osservata con i rivestimenti di ossidi metallici misti.

Oltre a questi, gli anodi di platino e titanio compaiono nella protezione catodica delle strutture in acciaio nell'acqua di mare, nelle celle di galvanica e finitura dei metalli che utilizzano elettroliti di metalli preziosi e nelle celle di ossidazione elettrochimica per il trattamento degli effluenti industriali dove il carico organico deve essere distrutto ad alta densità di corrente. Ciascuna applicazione determina un equilibrio diverso tra carico di platino e densità di corrente operativa e tale equilibrio deve essere concordato con il fornitore dell'anodo prima della costruzione della cella, non dopo il primo funzionamento.

Domande frequenti

Q:Quale grado di titanio viene utilizzato come substrato per un anodo rivestito di platino?
A: Titanio non legato di grado 1 o grado 2 secondo ASTM B265, o TA1 e TA2 secondo GB/T 3620.1. Il grado 1 è preferito per i rivestimenti critici poiché il suo contenuto interstiziale inferiore conferisce un legame più stabile con lo strato di platino.

Q:Quanto è spesso lo strato di platino su un anodo di titanio?
R: La maggior parte degli elettrodi industriali utilizza tra 1,5 e 5 micron di platino. Il carico esatto viene scelto in modo che corrisponda alla durata di servizio richiesta e alla densità di corrente consentita e deve essere indicato in base allo spessore o alla massa di platino per unità di area.

Q:Quali ioni devono essere evitati nell'elettrolita?
A: Fluoruro, cianuro e solfuro. Il fluoro è il più dannoso perché attacca il substrato di titanio sotto il rivestimento e non può essere mitigato aumentando lo spessore del platino.

Q:Un anodo di platino e titanio può essere utilizzato come catodo?
R: Sì. Il platino combina una bassa sovratensione di evoluzione dell'idrogeno con un'elevata sovratensione di evoluzione dell'ossigeno, che lo rende un materiale catodico efficiente per la generazione di idrogeno. Per tale compito viene spesso selezionato lo stesso elettrodo.

Q:Cosa accorcia maggiormente la vita dell'anodo durante il normale funzionamento?
R: Densità di corrente eccessiva. La durata del rivestimento è inversamente proporzionale alla densità di corrente, quindi far funzionare un elettrodo al di sopra della sua densità nominale è il modo più veloce per consumare lo strato di platino.

Q:L'inversione di polarità è mai accettabile in servizio?
R: No. L'inversione viene utilizzata durante la ristrutturazione per rimuovere un rivestimento passivato e non deve mai essere applicata a un anodo durante il normale funzionamento, poiché accelera la dissoluzione dello strato di platino.