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Patent 2687129 Summary

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Claims and Abstract availability

Any discrepancies in the text and image of the Claims and Abstract are due to differing posting times. Text of the Claims and Abstract are posted:

  • At the time the application is open to public inspection;
  • At the time of issue of the patent (grant).
(12) Patent: (11) CA 2687129
(54) English Title: NANOCRYSTALLINE ALLOYS OF THE FE3AL(RU) TYPE AND USE THEREOF OPTIONALLY IN NANOCRYSTALLINE FORM FOR MAKING ELECTRODES FOR SODIUM CHLORATE SYNTHESIS
(54) French Title: ALLIAGES NANOCRISTALLINS DU TYPE FE3AL(RU) ET USAGE DE CEUX-CI SOUS FORME NANOCRISTALLINE OU NON POUR LA FABRICATION D'ELECTRODES POUR LA SYNTHESE DU CHLORATE DE SODIUM
Status: Deemed expired
Bibliographic Data
(51) International Patent Classification (IPC):
  • C30B 29/52 (2006.01)
  • C25B 1/26 (2006.01)
  • C25B 11/04 (2021.01)
  • C30B 31/02 (2006.01)
  • C25B 11/06 (2006.01)
(72) Inventors :
  • SCHULZ, ROBERT (Canada)
  • SAVOIE, SYLVIO (Canada)
(73) Owners :
  • HYDRO-QUEBEC (Canada)
  • MEEIR TECHNOLOGIE INC. (Canada)
(71) Applicants :
  • HYDRO-QUEBEC (Canada)
  • MEEIR TECHNOLOGIE INC. (Canada)
(74) Agent: ROBIC
(74) Associate agent:
(45) Issued: 2011-07-26
(86) PCT Filing Date: 2008-05-15
(87) Open to Public Inspection: 2008-11-20
Examination requested: 2009-11-12
Availability of licence: N/A
(25) Language of filing: French

Patent Cooperation Treaty (PCT): Yes
(86) PCT Filing Number: PCT/CA2008/000947
(87) International Publication Number: WO2008/138148
(85) National Entry: 2009-11-12

(30) Application Priority Data:
Application No. Country/Territory Date
2,588,906 Canada 2007-05-15

Abstracts

English Abstract

The invention relates to a nanocrystalline alloy of the formula Fe3-X Al1+X My Tz in which: M is at least one catalytic species selected from the group comprising Ru, Ir, Pd, Pt, Rh, Os, Re, Ag and Ni; T is at least one member selected from the group comprising Mo, Co, Cr, V, Cu, Zn, Nb, W, Zr, Y, Mn, Cb, Si, B, C, O, N, P, F, S, Cl and Na; x is a number higher than -1 and no higher than +1; y is a number higher than 0 and no higher than +1; z is a number between 0 and +1. The invention also relates to the use of the above alloy in a nanocrystalline form or not for making electrodes intended in particular for the synthesis of sodium chlorate.


French Abstract

L'invention vise un alliage nanocristallin de formule : Fe3-X Al1+X My Tz; dans laquelle : M représente au moins une espèce catalytique choisi dans le groupe constitué par Ru, Ir, Pd, Pt, Rh, Os, Re, Ag et Ni; T représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Mo, Co, Cr, V, Cu, Zn, Nb, W, Zr, Y, Mn, Cb, Si, B, C, O, N, P, F, S, Cl et Na; x est un nombre supérieur à -1 et inférieur ou égal à +1; y est un nombre supérieur à O et inférieur ou égal à +1; z est un nombre compris entre O et +1. L'invention vise aussi l'usage de l'alliage ci-dessus sous forme nanocristalline ou non pour la fabrication d'électrodes destinées notamment à la synthèse du chlorate de sodium.

Claims

Note: Claims are shown in the official language in which they were submitted.




REVENDICATIONS

1. Un alliage nanocristallin de formule :


Fe 3-x Al+x M y T z

dans laquelle :
M représente au moins une espèce catalytique choisi dans le groupe constitué
par Ru, Ir, Pd, Pt, Rh, Os, Re, Ag et Ni;
T représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Mo, Co,
Cr, V, Cu, Zn, Nb, W, Zr, Y, Mn, Cd, Si, B, C, O, N, P, F, S, Cl et Na;
x est un nombre supérieur à -1 et inférieur ou égal à +1;
y est un nombre supérieur à 0 et inférieur ou égal à +1;
z est un nombre compris entre 0 et +1.


2. L'alliage nanocristallin selon la revendication 1, dans lequel :
x est compris entre -0.5 et +0.5;
y est compris entre 0.05 et 0.6;
z est compris entre 0 et 0.5.


3. L'alliage nanocristallin selon la revendication 2, dans lequel :
x égal 0;
y égal 0.2;
z égal 0.


4. L'alliage naocristallin selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
dans
lequel :
M représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Ru, Ir et

Pd; et
T est un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe constitué par Mo, Co et
Cr.





5. Méthode de fabrication d'un alliage nanocristallin selon l'une quelconque
des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on soumet un mélange d'une
poudre de Fe3Al avec une poudre du ou des espèces catalytiques M et
optionnellement avec une poudre du ou des éléments T, à un broyage
mécanique intense pour une durée suffisante afin d'introduire le ou les
espèces
catalytiques M et le ou les éléments T au sein de la structure cristalline de
Fe3Al
et réduire la taille des cristaux à une échelle nanométrique.


6. Usage d'un alliage de formule :

Fe 3-x Al 1+x M y T z

dans laquelle :

M représente au moins une espèce catalytique choisi dans le groupe constitué
par Ru, Ir, Pd, Pt, Rh, Os, Re, Ag et Ni;
T représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Mo, Co,
Cr, V, Cu, Zn, Nb, W, Zr, Y, Mn, Cd, Si, B, C, O, N, P, F, S, Cl et Na;
x est un nombre supérieur à-1 et inférieur ou égal à + 1;
y est un nombre supérieur à 0 et inférieur ou égal à + 1;
z est un nombre compris entre 0 et +1;
pour la fabrication d'une électrode, ledit alliage étant appliqué sur un
substrat
pour y former un revêtement.


7. Usage selon la revendication 6, dans lequel, dans la formule de l'alliage :

x est compris entre -0.5 et +0.5;
y est compris entre 0.05 et 0.6;
z est compris entre 0 et 0.5.


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8. Usage selon la revendication 7, dans lequel, dans la formule de l'alliage :

x égal 0;
y égal 0.2;
z égal 0.


9. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel,
dans la formule de l'alliage :

M représente au moins un élément choisi dans le groupe constitué par Ru, Ir et

Pd; et
T est un ou plusieurs éléments choisi dans le groupe constituée par Mo, Co et
Cr.


10. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, dans lequel
l'alliage est nanocristallin.


11. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel le
substrat est une plaque de fer ou de titane.


12. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel
l'alliage est appliqué sous forme de poudre sur le substrat par projection à
l'aide
d'une des techniques suivantes :
- air plasma spray (APS);
- vacuum plasma spray (VPS);
- low pressure plasma spray (LPPS);
- cold spray (CS); ou
- high velocity oxyfuel (HVOF).


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13. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans l'alliage
sous forme de poudre est appliqué sur le substrat par pressage, laminage,
brasage ou soudage soit directement ou à l'aide d'un,liant.


14. Usage selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, dans lequel
l'électrode fabriqué est exposée à un acide en vue d'activer l'alliage
appliqué sur
le substrat.


15. Usage selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, dans lequel
l'électrode est utilisée pour la synthèse du chlorate de sodium.



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Description

Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.



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ALLIAGES NANOCRISTALLINS DU TYPE Fe3AI(Ru)
ET
USAGE DE CEUX-CI SOUS FORME NANOCRISTALLINE OU NON POUR LA
FABRICATION D'ÉLECTRODES POUR LA SYNTHESE DU CHLORATE DE SODIUM
DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention a pour objet de nouveaux alliages nanocristallins à base
de Fe, AI et d'un élément catalytique.

La présente invention a également pour objet une méthode de fabrication de
ces nouveaux alliages nanocristallins.

La présente invention a en outre pour objet l'usage de ces alliages sous forme
nanocristalline ou non, pour la fabrication d'électrodes notamment utilisables
pour la synthèse du chlorate de sodium.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE

Le chlorate de sodium (NaCIO3) est un agent de blanchiment utilisé dans
l'industrie des pâtes et papier. Il est moins nocif pour l'environnement que
le
chlore gazeux et par conséquent, sa demande a significativement augmentée
au cours des années. Il est produit dans des cellules d'électrolyse et la
réaction
chimique globale est la suivante :
NaCI + 3 HzO --> NaCIO3 + 3 H2

Le voltage entre les électrodes des cellules d'électrolyse est typiquement
entre
3,0 et 3,2 volts pour une densité de courant de 250 mA/cmz. A la cathode où se
produit le dégagement d'hydrogène, on utilise fréquemment le fer comme
matériau d'électrode. La surtension cathodique pour une électrode de fer est
d'environ 900 mV. Cette haute surtension pour la réaction d'évolution de
l'hydrogène constitue la principale source de perte d'énergie du processus de
synthèse du chlorate de sodium. En circuit ouvert, les électrodes de fer ont


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également tendance à se corroder sévèrement dans l'électrolyte ce qui affecte
leur durée de vie. Pour toutes ces raisons et compte tenu de l'accroissement
des coûts de l'énergie, les chercheurs ont tenté au cours de dernières années
de trouver des substituts à l'électrode de fer afin d'améliorer l'efficacité
énergétique des cellules de synthèse du chlorate de sodium.

Un de ces substituts est décrit dans le brevet US 5,662,834 et le brevet
canadien correspondant CA 2,154,428 qui proposent de nouveaux alliages à
base de Ti, Ru, Fe et O ainsi que des revêtements d'électrodes à base de ces
matériaux qui permettent de réduire d'environ 300 mV la surtension à la
cathode. Ces alliages sont cependant coûteux car ils requièrent des quantités
significatives de l'espèce catalytique ruthénium (Ru) pour être actifs. La
demande de brevet international PCT/CA2006/000003 et la demande
correspondante canadienne CA 2,492,128 tentent de pallier à ce problème en
proposant de remplacer une partie du ruthénium par de l'aluminium dans des
matériaux semblables à ceux du brevet US 5,662,834 tout en préservant les
propriétés catalytiques avantageuses. Ces dernières demandes de brevet
proposent ainsi des alliages à base de Ti, Ru et AI à teneur réduite en
ruthénium
qui présentent des surtensions cathodiques d'environ 600 mV semblables à
celles des alliages à base de Ti, Ru, Fe et O. Ces alliages présentent des
structures cristallographiques semblables de type cubique P2 où le site (000)
est
occupé par le Ti et le site (7~21~21~2) est occupé dans un cas, par un mélange
aléatoire de Fe et Ru (US 5,662,834) et dans l'autre cas (PCT/CA2006/000003),
par un mélange d'AI et Ru. Le problème avec ces matériaux et cette structure
est qu'elle absorbe facilement l'hydrogène ce qui conduit à sa détérioration
dans
le temps. En effet, pour réduire sa susceptibilité à absorber l'hydrogène il
est
nécessaire dans un cas comme dans l'autre, d'introduire de l'oxygène ou un
élément tel que le bore ce qui en fait des matériaux fragiles et difficiles à
fabriquer sous forme de revêtement d'électrode. Cette tendance à absorber


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l'hydrogène est en partie causée par la présence du Ti dans la structure qui
forme des liaisons chimiques fortes avec l'hydrogène. Il serait donc
souhaitable
de trouver une nouvelle structure sans Ti qui puisse accueillir l'espèce
catalytique, qui n'absorberait pas l'hydrogène et qui présenterait une basse
surtension cathodique même lorsque l'espèce catalytique est en faible
concentration.

SOMMAIRE DE L'INVENTION

Il a été découvert dans le cadre de la présente invention que l'aluminure de
fer
de type (Fe3Al) peut accueillir au sein de sa structure des quantités
significatives
de Ru ou d'autres éléments catalytiques et que l'aluminure de fer dopé avec de
tels éléments catalytiques présente pour la réaction de synthèse du chlorate
de
sodium, une surtension cathodique aussi basse sinon plus basse que celles des
matériaux décrits précédemment. L'aluminure de fer ne contient pas de Ti et
n'absorbe pas de quantité notable d'hydrogène. Sa structure cristallographique
est de type cubique DO3 dans son état ordonné.

L'aluminure de fer décrit dans la présente invention répond à la formule
chimique suivante et se présente dans une plage de concentration variant entre
x=-1 etx=+1.

Fe 3-x AI 1+x

C'est un matériau très résistant à la corrosion à cause de la présence de
l'aluminium et considéré comme un substitut potentiel à l'acier inoxydable.
L'art
antérieur mentionne qu'il est possible de fabriquer des revêtements
d'aluminure
de fer sur des substrats de fer pour les protéger contre la corrosion ou
l'oxydation.


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L'invention a donc pour premier objet un nouvel alliage nanocristallin
caractérisé
en ce qu'il répond à la formule suivante :

Fe3, AI~+, MyTZ
dans laquelle :
x est un nombre supérieur à -1 et inférieur ou égal à +1, de préférence entre -

0.5 et +0.5 et plus préférentiellement égal à 0;
y est un nombre supérieur à 0 et inférieur ou égal à+1, de préférence entre
0.05
et 0.6, et plus préférentiellement égal à 0.2;
z est un nombre compris entre 0 et +1, de préférence inférieur à 0.5 et plus
préférentiellement égal à 0;
M représente une ou plusieurs espèces catalytiques choisies dans le groupe
constitué par Ru, Ir, Pd, Pt, Rh, Os, Re, Ag et Ni, le ou les éléments étant
de
préférence Ru, Ir ou Pd et
T représente un ou plusieurs éléments choisis dans le groupe constitué par Mo,
Co, Cr, V, Cu, Zn, Nb, W, Zr, Y, Mn, Cb, Si, B, C, O, N, P, F, S, CI et Na, le
ou
les éléments étant de préférence Mo, Co ou Cr.

Dans la formule ci-dessus, Fe 3, AI 1+X est la matrice nanocristalline qui
permet
d'accueillir en substitution au sein de sa structure le ou les éléments M et
T. M
est le ou les éléments catalytiques qui procurent à la matrice ses propriétés
électro-catalytiques améliorées et en particulier une faible surtension
cathodique
vis-à-vis de la réaction électrochimique de synthèse du chlorate de sodium. T
est le ou les éléments non-catalytiques qui procurent au matériau de bonnes
propriétés physico-chimiques recherchées telles qu'une bonne résistance
mécanique, une résistance à la corrosion améliorée ou des avantages au
niveau des coûts et de la fabrication.


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Par état nanocristallin, on entend une microstructure constituée de
cristallites
dont la taille des cristaux est inférieure à 100 nm. L'alliage est
préférentiellement
monophasé avec une structure cristallographique cubique de type Fe3AI(Ru)
L'alliage selon l'invention peut cependant être ordonnée ou désordonnée
5 chimiquement ainsi qu'ordonné ou désordonné topologiquement. Il peut
également être polyphasé c'est-à-dire constitué de plusieurs phases, la
principale étant de type Fe3AI(Ru).

L'invention a également pour deuxième objet une méthode de fabrication d'une
poudre de l'alliage nanocristallin selon l'invention qui consiste à:

1) broyer intensément une poudre d'aluminure de fer de type (Fe 3AI) avec
une poudre de la ou les espèces catalytiques M et du ou des éléments
optionnels T pour une durée de temps suffisante afin d'introduire les
éléments en question au sein de la structure cristalline de l'aluminure de
fer ; et

2) réduire la taille des cristaux de ce dernier à l'échelle nanométrique (<
100
nm).

Par broyage intense, on entend un broyage mécanique dans un creuset à bille
dont la puissance est typiquement supérieure à 0.1 kW/litre.

La présente invention a pour troisième objet, l'usage d'un alliage du type
Fe3AI(Ru) pas nécessairement nanocristallin bien que ceci soit préféré, pour
la
fabrication d'électrodes. Cette fabrication peut être effectuée en projetant
sur un
substrat une poudre d'alliage de composition selon l'invention à l'aide de
l'une
ou l'autre des techniques suivantes:
- air plasma spray (APS);
- vacuum plasma spray (VPS);
- low pressure plasma spray (LPPS);
- cold spray (CS); ou
- high velocity oxyfuel (HVOF).


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Ceci est bien sûr fait afin de produire un revêtement sur le substrat choisi.
De
préférence, le substrat est une plaque de fer ou de titane.

Ces électrodes pourraient également être fabriquées en appliquant l'alliage
sur
un substrat par pressage, laminage, brasage ou soudage soit directement ou à
l'aide d'un liant. Ce liant pourrait être un additif métallique, un polymère,
une
mousse métallique, etc.

Les électrodes ainsi fabriquées sont notamment utilisables pour la synthèse
électrochimique du chlorate de sodium. Tel que précédemment mentionné,
dans ce contexte particulier, l'alliage n'est pas nécessairement
nanocristallin
bien que ce soit préférable afin d'obtenir de faibles surtensions.

L'invention ainsi que ses avantages seront mieux compris à la lecture de la
description plus détaillée mais non limitative qui va suivre de plusieurs
modes
de réalisation préférées de celle-ci, faite en se référant aux dessins
annexés.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

La figure 1 représente des spectres de diffraction-x d'un mélange de poudres
d'aluminure de fer (Fe3AI) et de Ru dans une proportion molaire 1:0.25 en
fonction d'un temps de broyage.

La figure 2 représente une vue agrandie des spectres de diffraction-x de la
Figure 1 correspondant à 0h et à 12h de broyage.

La figure 3 représente l'évolution du paramètre de maille de l'aluminure de
fer
en fonction du contenu en Ru.


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La figure 4 représente des mesures d'absorption d'hydrogène à 80C dans de
l'aluminure de fer Fe3AI et dans un alliage de formule Fe3AIRu0.3 selon
l'invention en fonction du temps d'exposition à une pression d'hydrogène
d'environ 24 bars (2390 kPa).

La figure 5 représente les valeurs de surtension cathodique à 250 mA/cm2 d'un
aluminure de fer dopé au Ru en fonction de la teneur en Ru.

La figure 6 représente la valeur de surtension d'un alliage de formule
Fe3AIRuX
en fonction du temps d'activation dans de l'acide chlorhydrique (HCI) pour des
matériaux de l'invention avec divers contenus en Ru.

La figure 7 représente les spectres de diffraction-x d'un alliage de formule
Fe3AIRu0.4 avant (spectre du haut) et après (spectre du bas) traitement
thermique à haute température.

La figure 8a) représente une micrographie prise au microscope électronique à
balayage d'une électrode sous forme de pastille fabriquée à partir d'une
poudre
pressée de formule Fe3AIRuo.1 selon l'invention.

La figure 8b) montre le spectre EDX d'un alliage de formule Fe3AIRuo.l.

La figure 9a) représente une pastille de poudre pressée d'aluminure de fer
(gauche) ainsi qu'une pastille de poudre pressée de fer pur (droite) après 54
heures d'immersion dans une solution de chlorate.

La figure 9b) représente des courbes densité de courant versus potentiel
de
trois électrodes respectivement faites de Fe, Fe3AI et Fe3AIRu0.6 lorsque le
courant est balayé de - 158 mA/cm2 à + 158 mA/cm2 à- 158 mA/cm2 à un taux
de 2 mA/sec.


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La figure 10 a) montre un test d'endurance pour une électrode faite d'un
alliage
de formule Fe3AIRuo,4 selon l'invention sur une durée de près de 40 jours.

La figure 10 b) montre les performances d'une électrode faite d'un alliage de
formule Fe3AIRu0.4 selon l'invention lors d'un test de cyclage de 70 périodes
d'une durée de 10 minutes en circuit ouvert (OCP) suivi de 10 minutes en
circuit
fermé (HER) à 250 mA/cm2.

La figure 10c) montre la récupération des performances de potentiel lors d'une
polarisation constante à 250 mA/cm2, d'une électrode faite d'un alliage de
formule Fe3AIRu0.4 selon l'invention, suite au test de cyclage montré à la
figure
10b.

La figure 11 montre les valeurs de surtension cathodiques obtenues dans le cas
où l'aluminure de fer (Fe3AI) est dopé avec diverses espèces catalytiques
autre
que le Ru (élément M) ou avec divers éléments non-catalytiques (éléments T).

La figure 12 montre la taille moyenne et la distribution des particules de
poudre
de Fe3AIRuo.1 en fonction du temps de broyage.

La Figure 13 montre le volume de gaz dégagé par cellule expérimentale
contenant un échantillon d'un alliage de formule Fe3AIRu0.4 selon l'invention,
par
la réaction électrochimique de synthèse du chlorate de sodium à une
température de 71 C et à un pH d'environ 6.5.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION

Tel que précédemment indiqué, la figure 1 représente des spectres de
diffraction-x d'un mélange de poudres d'aluminure de fer (Fe3Al) et de Ru dans
une proportion molaire 1:0.25 en fonction du temps de broyage mécanique


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intense. On peut voir sur cette figure 1 qu'au fur et à mesure que s'effectue
le
broyage, les pics du Ru disparaissent alors que les pics de l'aluminure de fer
(représentés par des astérisques) s'élargissent. Ces derniers se déplacent
vers
les petits angles, indiquant l'insertion du Ru au sein de la structure
cristalline de
l'aluminure de fer et que la taille des cristaux d'aluminure de fer est
réduite
jusqu'à l'échelle nanométrique.

La figure 2 représente une vue agrandie des spectres de diffraction-x de la
figure 1 correspondant à Oh à 12h de broyage. Comme mentionné
précédemment, on voit clairement sur la figure 2 qu'après 12h de broyage, les
pics du Ru ont disparu. Les pics (400) et (422) de l'aluminure de fer se sont
par
ailleurs déplacés vers la gauche après 12h indiquant que la maille élémentaire
de l'aluminure de fer s'est dilatée en raison de l'incorporation du Ru au sein
de
sa structure cristallographique.
La figure 3 représente l'évolution du paramètre de maille de l'aluminure de
fer
en fonction du contenu en Ru. On voit, là encore, que ce paramètre de maille
ou de réseau de l'aluminure de fer dopé au Ru (Fe3AIRux) augmente très
rapidement avec l'incorporation du Ru entre x=0 et x=0.3 et il y a par la
suite
entre x=0.3 et x=0.6 un plafonnement du paramètre de réseau à une valeur
d'environ 5.825 angstrôms.

La figure 4 représente des mesures d'absorption d'hydrogène à 80C dans de
l'aluminure de fer (Fe3AI) et dans un catalyseur de formule Fe3AIRu0.3 selon
l'invention en fonction du temps d'exposition à une pression d'hydrogène
d'environ 24 bars (2390 kPa). Cette figure 4 montre que l'aluminure de fer et
le
catalyseur n'absorbent aucune quantité significative d'hydrogène. Dans cette
expérience, les matériaux ont été exposés à une pression d'hydrogène de 2390
kPa sur une période de 70 heures à une température de 80C (une température


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voisine de celle utilisée dans les cellules d'électrolyse industrielle). La
jauge de
pression différentielle n'a enregistré aucune absorption d'hydrogène sur cette
période de temps. Les petites oscillations de 0.7 kPa qui ont une période de
24 heures ont été causées par les variations de la température ambiante dans
le
5 laboratoire où les mesures furent réalisées.

La figure 5 représente les valeurs de surtension cathodique à 250 mA/cm2 d'un
aluminure de fer dopé au Ru en fonction du contenu en Ru. On voit sur cette
figure que l'aluminure de fer sans Ru (x=0) est peu actif. Sa valeur de
10 surtension est d'environ 950mV. Par contre, il suffit d'ajouter 0.05 mole
de Ru
par mole d'aluminure de fer pour abaisser cette surtension de 250 mV (soit de
950 mV à 700 mV). Pour des contenus en Ru supérieurs à x=0.2, la baisse de
surtension n'est plus significative et l'ajout additionnel de Ru pourrait ne
plus
être justifié.

La figure 6 représente la valeur de surtension du Fe3AIRuX en fonction du
temps
d'activation dans de l'acide HCI pour des matériaux de l'invention avec divers
contenus en Ru. Il convient de mentionner ici que les matériaux préparés par
broyage intense ne sont pas très actifs suite au broyage à cause de l'oxyde
naturel en surface. Il faut donc les activer en exposant leurs surfaces à un
acide.
A chaque teneur en Ru correspond une période de temps optimale d'activation
pour obtenir une valeur de surtension minimale. Ces valeurs minimales de
surtension correspondent au graphique de la figure 5.

La figure 7 représente les spectres de diffraction-x d'un alliage de formule
Fe3AIRu0.4 avant (spectre du haut) et après (spectre du bas) traitement
thermique à haute température. Le spectre du haut est typique de celui d'un
matériau selon l'invention. On y observe les pics caractéristiques de
l'aluminure
de fer décalés vers la gauche en raison de l'insertion du Ru dans la maille


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élémentaire comme mentionné précédemment. Ces pics, représentés par le
chiffre 1 dans la figure du haut, sont très larges ce qui est caractéristique
d'une
structure nanocristalline (taille de cristaux inférieure à 100 nm). La
surtension
cathodique pour ce matériau nanocristallin est d'environ 560 mV à 250 mA/cmz.
Le spectre du bas montre ce qui se produit lorsque le matériau est chauffé à
1000C, le Ru est expulsé de la maille élémentaire de l'aluminure de fer et il
y a
précipitation du composé intermétallique RuAI représenté par le chiffre 2 sur
la
figure du bas.

La réaction qui se produit peut s'écrire sous la forme suivante :
Fe3AlRu0.4 ---;> 0.4 (RuAI) + Feo.s3Al0.

Par ailleurs on remarque sur le spectre du bas de la figure 7 que les pics de
diffraction-x sont très étroits après traitement thermique indiquant que le
matériau a perdu sa nanocristallinité. Lorsque ceci se produit, la surtension
cathodique se détériore. La valeur de surtension minimale du matériau
correspondant au spectre du bas de la figure 7 était de 736 mV. Ces résultats
montrent l'importance de la nanocristallinité et de la dispersion de l'espèce
catalytique au sein de la matrice d'aluminure de fer pour obtenir des valeurs
basses de surtension.

La figure 8a) représente une micrographie prise au microscope électronique à
balayage d'une électrode sous forme de pastille fabriquée à partir de poudre
pressée selon l'invention. La figure 8b) montre le spectre EDX de l'alliage de
formule Fe3AIRuo.l. On remarque sur cette figure les pics caractéristiques du
Fe, AI et Ru mais également du Na et Cr en provenance de l'électrolyte.


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La figure 9a) représente une pastille de poudre pressée d'aluminure de fer
(gauche) ainsi qu'une pastille de poudre pressée de fer pur (droite) après 54
heures d'immersion dans une solution chlorate. L'aluminure de fer utilisé dans
cette expérience est un produit commercial vendu par la compagnie Alfa Aesar
dont la composition chimique est : carbone : 0.021 %pds, chrome : 2.24%pds,
oxygène : 0.50%pds, zirconium : 0.18%pds, nickel : 0.06%pds, fer : 80.84%pds
et aluminium: 16.41%pds. Cette figure montre que la pastille d'aluminure de
fer
présente dans une solution chlorate, une bien meilleure résistance à la
corrosion comparé au fer pur. Cette grande résistance à la corrosion provient
de
la présence d'aluminium dans la structure qui forme une couche d'alumine
protectrice. Cette résistance à la corrosion des matériaux d'électrode selon
l'invention offre un avantage significatif par rapport aux électrodes de fer
actuellement en usage dans l'industrie dans des conditions de circuit ouvert,
c'est-à-dire lorsque la protection cathodique n'est plus présente.

La figure 9b) représente des courbes densité de courant versus potentiel
de
trois électrodes faites respectivement de Fe, Fe3AI et Fe3AIRu0.6, lorsque le
courant est balayé de - 158 mA/cm2 à + 158 mA/cm2 à- 158 mA/cm2 à un taux
de 2 mA/sec. En d'autres mots, cette figure montre la tolérance d'une
électrode
selon l'invention à une inversion de courant comparé à une électrode de fer ou
de Fe3AI sans espèce catalytique.

Cette figure montre que l'électrode selon l'invention de formule Fe3AIRu0.6
selon
l'invention, est très résistante à l'oxydation. En effet le potentiel pour
lequel
apparaît l'oxydation du fer en Fe203 est de plus en plus anodique lorsqu'on
passe d'une électrode de Fe à une électrode de Fe3AI à une électrode de
Fe3AIRuo.6.


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La figure 10 a) montre un test d'endurance pour une électrode de formule
Fe3AIRu0.4 selon l'invention sur une durée de près de 40 jours. La figure 10
b)
montre les performances de cette même électrode de formule Fe3AIRuo.4 selon
l'invention lors d'un test de cyclage de 70 périodes d'une durée de 10 minutes
en circuit ouvert (OCP) suivi de 10 minutes en circuit fermé (HER) à 250
mA/cm2. Ce test de cyclage a été réalisé au 331ème jour du test long terme
montré à la figure 10a) (échantillon no.1). La figure 10c) montre la
récupération
des performances de potentiel lors d'une polarisation constante à 250 mA/cm2
de cette électrode de formule Fe3AIRu0.4 selon l'invention suite au cyclage
montré à la figure 10b). Cette récupération suite au cyclage a été réalisée au
351ème jour du test long terme montré à la figure 10a).

Les figures 10 montrent la stabilité des électrodes selon l'invention que ce
soit
en période de production (polarisation constante) ou d'arrêt (circuit ouvert)
et
même lorsqu'il y a fréquemment une alternance entre ces conditions d'opération
(production pour 10 minutes suivi d'un arrêt pour 10 minutes et ainsi de
suite).
La figure 11 montre les valeurs de surtension cathodiques obtenues dans le cas
où l'aluminure de fer (Fe3AI) est dopé avec diverses espèces catalytiques
autre
que le Ru (éléments M) ou avec des espèces non-catalytiques (éléments T).
Cette figure 11 présente en fait les valeurs de surtension d'électrodes fait
d'alliages selon l'invention du type Fe3AI(M)0.3 où M est choisi par Pd, Ru,
Ir et
Pt ou du type Fe3AI(T)0.3 où T est choisi parmi Mo et Co. Les résultats
reportés
sur cette figure 11 démontrent qu'il est possible d'obtenir de bonnes
performances électro-catalytiques avec l'incorporation d'espèces catalytiques
autres que le Ru.


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La figure 12 montre la taille moyenne et la distribution des particules de
poudre
de Fe3AIRuo.1 en fonction du temps de broyage. L'aluminure de fer utilisé pour
la fabrication du Fe3AIRuo.1 est un produit commercial vendu par la compagnie
Ametek dont la composition chimique est : bore : 0.01 pds, chrome 2.29%pds,
aluminium : 16.05%pds, la balance étant du fer. On remarque sur cette figure
12 que les distributions de particules d'aluminure de fer dopée par du Ru
deviennent de plus en plus étroites en fonction du temps de broyage et que la
taille moyenne diminue avec le temps. La taille moyenne initiale est de 71.2
m
et elle est de 37.8 m après 14 heures de broyage. Au même moment où se
produit cette diminution de la taille moyenne des particules de poudre, la
taille
des cristallites dans chacune de ces particules est réduite également jusqu'à
des dimensions nanométriques (< 100 nm) par les déformations mécaniques
générées lors du broyage intense.

II est important de mentionner ici que les matériaux nanocristallins selon
l'invention peuvent être fabriqués par broyage mécanique intense tel que
décrit
précédemment mais également par d'autres techniques telles que la trempe
rapide à partir de l'état liquide. En effet, il est possible de refroidir un
mélange
liquide Fe3AI(Ru) suffisamment rapidement pour que le ruthénium ou une autre
espèce catalytique choisie reste piégé dans la structure cristallographique de
l'aluminure de fer et que la taille des cristaux demeure à l'échelle
nanométrique
(< 100 nm). Des techniques telles que l'atomisation, le melt-spinning , le
splat-quenching peuvent être utilisées à cet effet. De la même façon, il est
possible de refroidir suffisamment rapidement des particules fondues ou
partiellement fondues de composition selon l'invention en les projetant sur un
substrat conducteur de chaleur pour ainsi produire des électrodes selon
l'invention. Des techniques de déposition telles que APS ( air plasma spray
),


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VPS ( vaccum plasma spray), LPPS ( low pressure plasma spray ), CS (cold
spray) et HVOF (high velocity oxyfuel ) peuvent être utilisées à cette fin.

La Figure 13 montre le volume de gaz dégagé par une cellule expérimentale
contenant un échantillon d'un alliage de Fe3AIRu0.4 selon l'invention par
réaction
5 électrochimique de synthèse du chlorate de sodium à une température de 71C
et à un pH d'environ 6.5. On remarque sur cette figure 13 que le taux de
dégagement de gaz a été de 143.5 ml/hr lors d'une première expérience et de
145.6 ml/hr lors d'une seconde expérience. Selon la réaction électrochimique
de
synthèse du chlorate de sodium indiquée ci-dessous :
NaCI + 3 H20 + 6e- --> NaC1O3 + 3 H2

on a dégagement de 3 molécules d'hydrogène pour 6 électrons. A une densité
de courant de 250 mA/cm2 et pour une surface d'échantillon de 1,27 cm2, la
quantité théorique de dégagement d'hydrogène est de 143.3 ml/hr pour le
volume de gaz recueilli à 22C. La proximité des résultats expérimentaux avec
la
valeur théorique suggère donc une bonne efficacité de courant des matériaux
catalytiques selon l'invention.

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Examination Requested 2009-11-12
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Abstract 2009-11-12 1 78
Description 2009-11-12 15 608
Cover Page 2010-01-15 1 39
Claims 2009-11-13 4 95
Claims 2009-11-12 4 93
Drawings 2009-11-12 15 772
Cover Page 2011-06-27 1 39
Correspondence 2011-04-06 1 79
Correspondence 2010-01-12 1 19
PCT 2009-11-12 4 166
Assignment 2009-11-12 8 258
Fees 2010-05-12 1 58
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Correspondence 2011-05-09 2 60