[發明專利]用于超活性氫析出電催化的異質結構

有效

• 申請號: 201580048035.5
• 申請日: 2015-07-17
• 公開（公告）號: CN106605011B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: H·戴;M·龔
• 申請（專利權）人: 里蘭斯坦福初級大學理事會
• 主分類號: C25B1/04
• 分類號: C25B1/04;C25B11/03;C25B11/06
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

用于水裂解生產的陰極包括：(1)多孔基質；和(2)附加至多孔基質的電催化劑。電催化劑包括第一材料和第二材料的異質結構，所述第二材料部分地覆蓋第一材料。

相關申請的交叉引用

本申請要求2014年7月17日提交的美國臨時申請號62/025,900的權益，其公開內容通過引用以其全部并入本文。

技術領域

本公開內容涉及用于氫析出反應的催化劑，并且更具體地，涉及用于催化氫析出反應的異質結構。

背景技術

氫——作為清潔和可再生能源——已經作為逐漸減少的化石燃料的替代物被廣泛研究。產生高純度氫的有效方法是在電解器中將水電化學地裂解為氫和氧。鎳(Ni)和不銹鋼通常用于在堿性溶液中分別進行水還原和氧化催化的工業中。然而，由于其高的超電勢(大約200mV)和大的塔菲爾斜率，Ni金屬不是理想的水還原或氫析出反應(HER)催化劑。現有技術的HER催化劑是鉑(Pt)和其合金，但是Pt的稀缺和成本限制了其大規模的電解應用。已經追尋了在堿性溶液中活性的和穩定的非貴金屬基HER催化劑，其包括拉尼鎳和Ni-鉬(Mo)合金。然而，仍存在實現比得上Pt的高活性和穩定性二者的困難。

在此背景下，出現了研發本公開內容的實施方式的需要。

發明內容

本公開內容的某些方面涉及用于水裂解生產的電極。在一些實施方式中，電極包括：(1)多孔基質；和(2)附加至多孔基質的電催化劑。電催化劑包括第一材料和部分地覆蓋第一材料的第二材料的異質結構。

在一些實施方式中，第一材料和第二材料分別包括第一金屬和第二金屬。在一些實施方式中，第一金屬和第二金屬具有不同的氧化態。在一些實施方式中，第一金屬和第二金屬是相同的過渡金屬。在一些實施方式中，過渡金屬是鎳。

在一些實施方式中，第二材料包括與第一金屬和第二金屬不同的第三金屬。在一些實施方式中，第一金屬和第三金屬是不同的過渡金屬。在一些實施方式中，第一金屬是鎳，第二金屬是鎳，并且第三金屬是鉻。

在一些實施方式中，第一材料包括金屬，并且第二材料包括類金屬。在一些實施方式中，第一材料包括兩種或更多種不同的金屬。在一些實施方式中，第二材料包括兩種或更多種不同的金屬。

在一些實施方式中，每個異質結構包括第一材料的芯和部分地覆蓋第一材料的芯的第二材料的不完全殼(incomplete shell)。在一些實施方式中，芯包括第一金屬，并且不完全殼包括第二金屬的氧化物和第三金屬的氧化物，并且第三金屬與第一金屬和第二金屬不同。在一些實施方式中，芯包括第一金屬，并且不完全殼包括第二金屬和第三金屬的混合氧化物，并且第三金屬與第一金屬和第二金屬不同。

在一些實施方式中，多孔基質具有0.3至0.98范圍中的孔隙度。在一些實施方式中，多孔基質是金屬泡沫(metallic foam)或非金屬泡沫。在一些實施方式中，多孔基質選自，例如，鎳泡沫、銅泡沫、碳泡沫、石墨泡沫、碳纖維紙、碳納米管網絡(network)、石墨烯泡沫、鈦泡沫、和鋁泡沫。在一些實施方式中，多孔基質限定空隙，并且電催化劑被布置在多孔基質的空隙中。

本公開內容的另外的方面涉及包括本公開內容的多種實施方式的電極的水電解器。本公開內容的另外的方面涉及包括本公開內容的多種實施方式的電極的氯堿電解槽。

本公開內容的進一步的方面涉及制造用于水裂解生產的電極的方法。在一些實施方式中，方法包括：(1)提供包括一種或多種金屬——比如至少兩種不同的金屬——的前體組合物；(2)施加前體組合物至多孔基質以形成涂覆的多孔基質；和(3)使涂覆的多孔基質退火以形成附加至多孔基質的金屬的異質結構。

在一些實施方式中，方法進一步包括施加極性溶劑至多孔基質，其中在施加前體組合物至多孔基質之前施加極性溶劑。