[發明專利]使用碳負載MnOX的復合材料電解分解水

有效

• 申請號: 201380011533.3
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN104136661B
• 公開（公告）日: 2017-12-19
• 發明（設計）人: R·施勒格爾;K·麥琪;M·貝倫斯;J·P·泰索尼耶;A·伯格曼;P·斯特拉瑟
• 申請（專利權）人: 德國馬普弗利茲-哈伯無機化學研究所
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/04;B01J23/34;B01J37/02;B01J37/08;B82Y30/00;B01J37/03
• 代理公司: 北京林達劉知識產權代理事務所(普通合伙)11277
• 代理人: 劉新宇,李茂家

技術領域

本發明涉及使用碳負載錳氧化物(MnO_X)的復合材料電解分解水。具體地，本發明的電解分解水是在中性電解質條件下，具有高電解活性同時使用包含本發明的碳負載錳氧化物(MnO_X)的復合材料的析氧反應(OER)-電極進行的。接著，本發明涉及一種用于制造這種碳負載錳氧化物(MnO_X)的復合材料的方法以及通過本發明的制備方法獲得的復合材料，并涉及包含通過本發明的方法獲得的碳負載錳氧化物(MnO_X)的復合材料的OER-電極。

背景技術

電解分解水成為氫氣和氧氣是用于可再生能源儲存的未來的關鍵技術。雖然風能、太陽能光伏或水力源產生可再生電力，但事實上其通常是間歇性的。在本文上下文中，氫是可以直接以分子形式或者通過進一步可逆轉化成氫載體分子而存儲的重要能量載體。所存儲的氫的分子能量之后可用于燃燒，或者更高效地用在氫燃料電池中。

水的電解分解的關鍵挑戰是開發合適的陽極電極，即析氧反應(OER)- 電極，其具有低超電勢，良好的穩定性和高活性。具體地，由于在析氧電極處的高氧化性條件，提供同時具有合適的活性和穩定性即惰性的OER電極是主要的技術挑戰。

Ortel，E.等人(Chem.Mater.(2011),23,3201.)描述了一種質子交換膜 (PEM)電解器技術，其使用Ti-負載的TiO₂-IrO₂-或TiO₂-RuO₂-基混合金屬氧化物體系作為尺寸穩定的陽極，而采用Pt作為陰極材料。然而，為了使得以負擔得起的成本廣泛地應用，這樣的體系應該不含或者含最小量的貴金屬。

在這方面，過渡金屬氧化物已引起了相當的關注。Gorlin,Y,J.等人(Am. Chem.Soc.(2010),132,13612.)描述了一種電沉積到拋光的玻碳基板上的Mn 氧化物薄膜。在堿性條件下，發現Mn氧化物薄膜對于在燃料電池中的氧氣還原反應(ORR)(即陰極反應)，和在電解池中的析氧反應(OER)(即陽極反應) 都是活性的。然而，對于工業用途，需要用于制備這種電極更實際、可擴展的和廉價的工藝，同時仍維持高的電解活性和穩定性。此外，為了使這樣的電極廣泛地環境可接受地應用，希望提供一種在中性電解質條件下而不是在堿性電解質條件下實現高的電解活性的電極。

Jiao,F.等人(Chem.Commun.(2010),462920.)和WO 2011/094456 A1描述了可在中性溶液中作為OER-電極應用的二氧化硅負載的Mn氧化物簇。然而，合適的OER-電極還必須表現出足夠的電子傳導性，以最小化歐姆損耗和增加在電解反應過程中的電流密度，從而，使電解池在具有減小的超電勢下經濟地運行。

WO 2010/027336 A1描述了MnO₂修飾的單壁碳納米管，其通過包含在 100℃下單一的干燥步驟的對稱歧化沉淀法制備。MnO₂修飾的單壁碳納米管在包含酸聚合物電解質的超級電容器中用作電極。

EP 2140934 A1描述了一種包含二氧化錳納米針的聚集體并具有中孔結構的催化劑材料。該催化劑材料被用于在酸性條件下氧化分解水，以產生氧氣。

最后，EP 1831440 B1描述了一種制備負載型催化劑的方法，通過用氧化劑官能化碳納米管以形成官能化的碳納米管，其在將金屬催化劑負載到所述官能化的碳納米管之前進行。

因此，鑒于現有技術，存在對于在中性電解質條件下，即在環境上可接受的條件下分解水的需求，其例如允許分解廢水和/或海水，同時實現高的并且優選改進的電解活性，特別是在析氧反應中低的超電勢，但是在析氧反應期間的氧化條件下是穩定和惰性的。此外，鑒于現有技術，存在對于在中性條件下分解水的材料的制備方法的需求，同時采用可以在工業環境中有效使用的實用、廉價和可擴展的技術。

發明內容