[發明專利]廉價而穩健的析氧電極

在審

• 申請號: 201780042571.3
• 申請日: 2017-07-10
• 公開（公告）號: CN109478653A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 斯里·納拉揚;德班揚·米特拉;蓬·鄭
• 申請（專利權）人: 南加利福尼亞大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M8/0232;H01M8/0243;H01M4/88;H01M4/86;H01M12/06;H01M12/08;H01M8/18
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 鐘晶;鐘海勝

電化學裝置包括：電解質、與電解質接觸的陰極以及與電解質接觸的作為陽極運行的析氧反應(OER)電極。OER電極包括含鐵基板和包括設置在含鐵基板上的含金屬層的層。所述含金屬層包括：金屬和鐵，該金屬選自由鎳、鈷、錳及其組合所組成的組。

相關申請的交叉引用

本申請要求享有2016年7月8日提交的美國臨時申請62/360,291號的權益，其公開內容通過引用整體并入本文。

技術領域

在至少一個方面，本發明涉及用于電池和電化學電池的析氧反應催化劑和電極。

背景技術

開發用于析氧反應(OER)的廉價、高效且穩健的電催化劑是各種大規模能量存儲和轉換應用的基本要求，如金屬空氣可充電電池、再生燃料電池、金屬的電合成和電解沉積。^1，2析氧發生在再生燃料電池和金屬空氣可充電電池充電期間。^3，4這兩種應用都受到顯著的限制，因為它們由于反應動力學遲緩而產生顯著的過電位。^5-8慢速動力學與電荷轉移過程有關，從而導致往返效率降低和功率密度降低。^9，10雖然Ru和Ir貴金屬基電催化劑已知對OER具有良好的催化活性，高成本是其在儲能應用中大規模部署中的挑戰。^11，12最近的研究表明各種廉價的材料可以作為貴金屬基OER電催化劑的替代品。^13-16關于在有或沒有鍶、鋇和鑭的情況下含有過渡金屬如鐵、鎳、鈷的鈣鈦礦、尖晶石和層狀雙氫氧化物結構的報道已經證明對OER有利。最近，據報道基于雜原子如Fe、N摻雜碳或無金屬碳基的結構表現出OER活性。^17，18盡管如此，為找到廉價、高效且穩健的OER電催化劑付諸的這些努力仍然是一個挑戰。

因此，需要用于OER應用的改進、廉價的電催化劑和電極。

發明內容

本發明通過在至少一個實施方式中提供基于涂覆有磁鐵礦和氫氧化鎳或尖晶石鎳鐵氧體(通過簡便的合成路線制備)的鐵基板的新型電極來解決現有技術的一個或多個問題。這種電極被稱為NSI電極。本實施方式首次使用鐵作為制備析氧電極的基板，以產生適用于各種應用如堿性水電解、金屬空氣電池、電合成和堿性介質中的電化學氧化的具有極高電催化活性(在10mA cm^-2幾何電流密度下，對于NSI電極為218mV過電位，并且對于具有改進2的電極為195mV過電位)的經濟型析氧反應(OER)電極的高度穩健且耐用的結構。鐵基板可以是通過燒結鐵粉而成型的電極，用粘合劑壓制的鐵粉、鋼絲絨、鋼網和鋼布可以用于實現與燒結電極結構相同的優點。用于形成活性層的涂覆溶液由鎳、鈷或錳組成。通常，在200～400℃的溫度范圍內制備的催化層產生了足夠的析氧反應活性。發現制備溫度對觀察到的催化活性具有顯著影響，并且通過在200℃下制備催化劑可以顯著降低過電位。

在另一個實施方式中，提供一種OER電極。OER電極包括含鐵基板和含金屬層，該含金屬層包括設置在含鐵基板上的金屬鐵氧體、磁鐵礦、α-氫氧化鎳或其組合，該金屬鐵氧體包括金屬和鐵。特征性地，所述金屬選自由鎳、鈷、錳及其組合所組成的組。

在另一個實施方式中，提供了使用該電極且特別是本文所述的OER電極的電化學裝置。所述電化學裝置包括：電解質、與電解質接觸的陰極、以及與電解質接觸的作為陽極運行的析氧反應電極。OER電極包括含鐵基板和含金屬層，該含金屬層包括具有設置在含鐵基板上的磁鐵礦或金屬鐵氧體的金屬氧化物。所述金屬鐵氧體包括金屬和鐵。特征性地，所述金屬選自由鎳、鈷、錳及其組合所組成的組。

在另一個實施方式中，提供了一種用于形成本文所述的OER電極的方法。該方法包括使含鐵基板與具有選自由鎳鹽、鈷鹽、錳鹽及其組合所組成的組中的金屬鹽的含鹽溶液接觸，以形成改性基板的步驟。在足夠的溫度下煅燒改性基板以成型，從而形成OER電極。

附圖說明

圖1A：具有OER電極的電化學電池的截面示意圖。