[發明專利]一種水電解催化劑及其制備和應用

無效

• 申請號: 200810228708.7
• 申請日: 2008-11-12
• 公開（公告）號: CN101733095A
• 公開（公告）日: 2010-06-16
• 發明（設計）人: 張華民;程金斌;陳國寶;張益寧
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J23/652
• 分類號: B01J23/652;B01J23/89;H01M4/90;C25B11/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳;周秀梅

技術領域

本發明涉及固體聚合物電解質(Solid?Polymer?Electrolyte，SPE)水電 解陽極催化劑，具體地說是一種可應用于SPE水電解、可再生式燃料電池 或各種電解應用中制氧電極的高效催化劑。

背景技術

氫氣是一種清潔、高效的能源載體，它具有可再生、無污染的特點。水 電解制備氫氣是制氫的一個重要手段，是一種非常成熟的制備高純氫的技 術。目前常采用的是堿性水電解技術，但存在液體電解質容易流失、設備 易腐蝕等缺點。固體電解質水電解相比于傳統的堿性水電解具備明顯的優 點，例如更高的安全可靠性、更高的能量效率，而且由SPE水電解池制備 的氫氣純度可高于99.99％。這些優點使得SPE水電解成為近年來制氫技術 的研究熱點。

目前在SPE水電解中常用的固體電解質膜為質子交換膜(Proton Exchange?Membrane，PEM)，其水電解過程是質子交換膜燃料電池反應的逆 反過程。該電解池裝置結構類似于質子交換膜燃料電池，但以不同的方式 工作。在SPE水電解中，在電解池上加以電壓并通入純凈的水后，在陽極 上發生氧析出反應(Oxygen?Evolution?Reaction，OER)并釋放出氧氣，在陰 極上發生質子的還原并釋放出氫氣(Hydrogen?Evolution?Reaction，HER)。 電解質既作為導質子的介質，又作為隔離氫、氧氣體的隔膜。

電解過程中，主要的電化學極化產生于陽極的電化學過程。研究者的工 作也集中在增加陽極催化劑活性以降低能耗方面。IrO₂是一種優良的OER 催化劑，且在酸性電解質中具有極好的穩定性。RuO₂具有更高的OER電催 化活性，但是在酸性溶液中，RuO₂會發生嚴重腐蝕。和Stucki認為， RuO₂被腐蝕的原因在于OER過程中RuO₂被氧化成為可溶性的RuO₄[R. ，S.Stucki，J.Electroanal?Chem，172(1984)211]。IrO₂和RuO₂常被制作 成復合物用作水電解陽極催化劑，以獲取較好的活性和穩定性。通過加入 第三組分(或第四組分)增加Ir-Ru氧化物陽極催化劑的活性成為目前研究 的一個熱點。

US2003/0057088A1涉及使用Ir-Ru氧化物陽極催化劑的SPE水電解裝 置，所述催化劑含有至少一種選自鐵(Fe)、鎳(Ni)和鈷(Co)的金屬氧 化物。摻雜鐵(Fe)、鎳(Ni)和鈷(Co)的主要目的是為了增強Ir-Ru氧 化物陽極催化劑的耐久性，在催化劑催化活性方面沒有明顯改善。

A.Mashall等人制備了Ir_xRu_yTa_zO₂[International?Journal?of?Hydrogen Energy32(2007)2320]，文章認為Ir_0.6Ru_0.4O₂在Ir_xRu_yTa_zO₂中具有最好的催 化活性，Ta的加入并沒有明顯增加催化劑的催化活性。

A.Mashall等人制備并研究了了Ir_xRu_ySn_zO₂[Russian?Journal?of Electrochemistry，42(2006)1134]，文章認為第三組分Sn的加入減少了催 化劑的活性面積，增大了催化劑的歐姆阻抗，將其用于SPE水電解時，電 解性能下降。

專利CN1874841所涉及催化劑包含IrO₂和可選的RuO₂與高比表面積 的無機氧化物(如TiO₂、Al₂O₃、ZrO₂及其混合物)。該發明所涉及無機氧 化物為高比表面積類且與IrO₂和RuO₂活性物質形成混合物。加入高比表面 積的無機氧化物是為了增加活性物質的分散度，但是不能減小IrO₂和RuO₂的顆粒；而且所加入的無機氧化物為半導體或絕緣體，導致了催化劑整體 導電性的下降。