Warum wird Graphit als Elektrode in der Elektrolyse verwendet?

Graphit, eine natürlich vorkommende amorphe Form von Kohlenstoff, verfügt über viele einzigartige Eigenschaften, die ihn für den Einsatz in verschiedenen elektrochemischen Verfahren geeignet machen. Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit, thermischen Stabilität, chemischen Inertheit, Langlebigkeit und Reinheit findet Graphit als Elektrode auf kommerzieller Ebene zahlreiche Verwendungen.

Die Elektrolyse, ein Verfahren zur Gewinnung reiner Elemente mit Hilfe von elektrischem Gleichstrom, ist ein weiterer elektrochemischer Prozess, der mit Graphit effizient durchgeführt werden kann.

Elektrolyse in wissenschaftlichen Begriffen

Bei der Elektrolyse werden zwei Elektroden in eine elektrolytische Lösung (eine Lösung, die den Durchfluss von Strom unterstützt) gelegt. Bei Vorhandensein einer externen Stromquelle wird die Elektrolyse durchgeführt. Diese Anordnung funktioniert wie eine Batterie.

Graphit - ein gängiges Elektrodenmaterial

In der Regel werden für die Herstellung von Elektroden leitende Metalle wie Gold, Silber, Platin, Kupfer und Messing verwendet. Da diese Metalle jedoch teuer sind, ist ihre Verwendung auf kommerzieller Ebene nicht rentabel.

Graphit hingegen besitzt alle bevorzugten Eigenschaften einer guten Elektrode und ist leicht verfügbar, so dass es sich für die Elektrolyse eignet.

Chemische Zusammensetzung und Vorkommen von Graphit

Graphit ist eine Form von Kohlenstoff, die in der Natur vorkommt und eine kristalline Struktur hat. Unter Standardbedingungen ist Graphit stabil und nicht reaktiv. In Branchen wie Gießereien, Lithium-Ionen-Batterien usw. wird Graphit in großem Umfang verwendet. Seine niedrigen Kosten, seine Verfügbarkeit und seine thermische und chemische Inertheit machen ihn für viele industrielle Anwendungen nützlich.

Physikalische Eigenschaften

Graphit hat ein undurchsichtiges und glänzendes Aussehen. Es ist sehr weich und fühlt sich rutschig an. Außerdem ist es weder in Wasser noch in organischen Lösungsmitteln löslich. Es ist nicht entflammbar und bricht perfekt in Form von flexiblen Platten.

Warum Graphit für die Elektrolyse geeignet ist

Hier sind die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Graphit, die ihn für die Elektrolyse geeignet machen:

• Elektrische Leitfähigkeit - Die einzigartige innere Struktur von Graphit macht es zu einem guten elektrischen Leiter. So kann die Elektrolyse effizient durchgeführt werden.
• Chemische Inertheit - Chemische Inertheit bedeutet, dass Graphit mit den meisten organischen und anorganischen Medien nicht reagiert, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination vernachlässigbar ist.
• Hoher Schmelzpunkt - Der Schmelzpunkt von 3600 Grad Celsius macht Graphit für verschiedene Hochtemperaturanwendungen einsetzbar.
• Geringe Kosten und Verfügbarkeit - Graphit kommt in der Regel in Form von metamorphen Gesteinen wie Marmor, Schiefer und Gneis an verschiedenen Orten vor. Da es reichlich vorhanden ist, ist es billig und sehr begehrt.

Graphit als Elektrode in der Elektrolyse

Rolle bei der Leitung von Elektrizität

Aufgrund der hexagonalen Struktur von Graphit ist der freie Fluss von Elektrizität möglich. Außerdem bewegen sich die freien Elektronen in der Struktur durch die Ladungsträger.

Wechselwirkung mit Elektrolyten und Ionen

Die Leistung von Graphit als Elektrode variiert je nach Art des verwendeten Elektrolyts und der beteiligten Ionen. Im Allgemeinen funktionieren Lithium-, Natrium- und Kalium-Ionen gut mit Graphit als Elektrode. Daher kann die Verwendung mit dem richtigen Elektrolyten zu besseren Ergebnissen führen.

Vorteile von Graphit als Elektrode

Dauerhaftigkeit und Langlebigkeit

Die robuste Struktur von Graphit ermöglicht es, die Leistung über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten, was die Häufigkeit des Austauschs reduziert, die Ausfallzeiten minimiert und die Gesamtbetriebskosten senkt.

Vielseitigkeit

Graphitelektroden werden in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt, von der Herstellung von Phosphor, Kalziumkarbid und Siliziummetallen bis hin zur Stahlproduktion.

Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion

Aufgrund seiner natürlichen Korrosionsbeständigkeit eignet sich Graphit für den Einsatz in Umgebungen, in denen Elektroden aggressiven Chemikalien oder Elektrolyten ausgesetzt sind. So kann er in hochreaktiven Umgebungen wie der chemischen Industrie seine Leistung übertreffen.

Fähigkeit, hohen Temperaturen standzuhalten

Graphit kann Temperaturen von bis zu 3000°C (5432°F) standhalten, ohne zu schmelzen, und weist eine gute Temperaturwechselbeständigkeit auf. Daher können Graphitelektroden hohe und schnell wechselnde Temperaturen aushalten, ohne zu brechen oder ihre strukturelle Integrität in industriellen Anwendungen zu verlieren.

Kosten-Wirksamkeit

Auch wenn die Anfangskosten höher sein mögen, sind Graphitelektroden aufgrund ihrer Effizienz insgesamt eine wirtschaftlich sinnvolle Wahl für den kommerziellen Einsatz.

Spezifische Anwendungen von Graphitelektroden in der Elektrolyse

Graphit-Elektroden spielen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften eine entscheidende Rolle in verschiedenen Elektrolyseverfahren. Einige ihrer spezifischen Anwendungen sind:

1. Chlor-Alkali-Produktion

In der Chlor-Alkali-Industrie werden Graphitelektroden als Anode für die Elektrolyse von Natriumchloridlösung zur Herstellung von Chlor, Natriumhydroxid und Wasserstoff verwendet.

2. Aluminium Produktion

Graphit bildet sowohl die Kathode als auch die Anode im Hall-Héroult-Verfahren, das für die Aluminiumherstellung verwendet wird.

3. Elektrolytische Gewinnung von Zink

In der Zinkindustrie werden Graphitelektroden im Elektrogewinnungsverfahren zur Gewinnung von Zink aus Zinksulfatlösungen eingesetzt.

4. Kupferraffination

Graphitelektroden werden verwendet, um im elektrolytischen Raffinationsprozess aus weniger reinen Kupferanoden hochreines Kupfer zu gewinnen.

5. Wasseraufbereitung

In elektrochemischen Wasseraufbereitungsverfahren werden Graphitelektroden zur Erzeugung von Oxidationsmitteln für die Desinfektion eingesetzt.

Einschränkungen und Erwägungen bei der Verwendung von Graphit als Elektrode

Trotz zahlreicher Vorteile gibt es bei der Verwendung von Graphit als Elektrode bestimmte Einschränkungen und Überlegungen. Zum Beispiel kann Graphit bei hohen Temperaturen oxidieren, typischerweise bei über 400°C (752°F) an der Luft. Dadurch kann sich der chemische Prozess verändern. Daher ist eine Temperaturkontrolle erforderlich. Außerdem können Graphitelektroden bei hoher mechanischer Belastung oder Abrieb schneller verschleißen als metallische Alternativen.

Außerdem kann die poröse Struktur von Graphit zu einer Gasdurchlässigkeit führen, die das Eindringen von Elektrolyt verursacht. Dies kann die Gesamtlebensdauer beeinträchtigen. Bei Anwendungen, die eine extrem hohe Reinheit erfordern, kann Graphit Kohlenstoffpartikel einbringen. Graphit hat einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, was bedeutet, dass es sich bei einem Temperaturanstieg ausdehnen kann. Dies kann bei Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen zu Problemen führen. Solche Systeme müssen unter Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung konzipiert werden.

Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen kann ein optimales Elektrolysesystem entweder mit Graphit oder geeigneteren Alternativen konzipiert werden.

Alternativen zu Graphitelektroden

Obwohl Graphitelektroden weit verbreitet sind, können je nach den spezifischen Anforderungen auch andere Materialien verwendet werden. Metallelektroden wie Platin haben eine ausgezeichnete chemische Stabilität, während Gold eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Metalloxidelektroden sind aufgrund ihrer hohen Stabilität, langen Lebensdauer und katalytischen Eigenschaften eine weitere Option für Anwendungen wie Chlorproduktion und Wasseraufbereitung.

Schlussfolgerung

Graphit eignet sich aufgrund seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften hervorragend als Elektrode für die Elektrolyse. Da es leicht verfügbar und billig ist, wird es als eine gute Option für kommerzielle Anwendungen, die Elektrolyse beinhalten, angesehen. Aufgrund bestimmter Einschränkungen ist es jedoch wichtig, für bestimmte Anwendungen Alternativen in Betracht zu ziehen.