[發明專利]用于燃料電池或電解槽的催化劑材料以及相關聯的生產方法

在審

• 申請號: 201980025481.2
• 申請日: 2019-04-11
• 公開（公告）號: CN112005414A
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 蘇林·德雷普;馬耳他·克林根霍夫;彼得·斯特拉瑟
• 申請（專利權）人: 柏林技術大學
• 主分類號: H01M8/18
• 分類號: H01M8/18;H01M4/90;C25B11/16;H01M8/1018
• 代理公司: 北京瀚方律師事務所 11774
• 代理人: 周紅力;姜瑩

本發明涉及一種用在燃料電池或電解系統中的多組分催化劑材料，特別是用在再生燃料電池或可逆電解槽中。根據本發明，所述催化劑材料包括摻雜二氧化錳、NiFe層間化合物和導電載體材料，其中所述摻雜二氧化錳和NiFe層間化合物被支持在載體材料上。

技術領域

本發明涉及一種用作電極的催化劑材料，特別是在再生燃料電池或可逆電解池中，并且涉及一種用于生產所述催化劑材料的方法。

背景技術

針對用于移動和靜止應用的清潔并且可再生的能量儲存和能量轉化系統的需求正快速增加。作為電解槽和燃料電池的混合的一體式再生燃料電池(URFC)提供了以來自電化學水分解的分子氫形式儲存來自可再生能源(太陽能/風力發電場)的能量并且在需要時將所述能量轉化成電能的可能性。水是這一過程的唯一副產物。這樣就提供了以環境友好的方式儲存所產生的多余能量并且按需提供所述能量的可能性。這一過程可以顯著減少溫室氣體(GHG)的排放，因此對于能量轉換有顯著貢獻。但是電解槽系統、燃料電池或一體式再生燃料電池的性能在很大程度上取決于電化學反應發生的速度(動力學)。這些反應首先是氧轉化過程(氧過程)，具體來說是析氧反應(OER)和氧還原反應(ORR)，以及氫電極處的氫轉化過程(氫過程)，具體來說是氫氧化反應(HOR)和析氫反應(HER)。由于氫反應是相對簡單的兩級反應，因此總體過程受限于四級電化學氧反應的相對較差的動力學。

由于所述氧過程的復雜度，需要一種可以在長時間內以盡可能少的損失高效地催化OER和ORR的催化系統，以便提供一種針對現有能量載體的有競爭力的替換方案。

酸性條件下的最佳OER和ORR催化劑是基于貴金屬及其氧化物。雖然基于銥和釕的材料最常被使用在基于隔膜的酸性電解槽系統中(質子交換隔膜水電解槽PEMEW)，但是在酸性環境中鉑合金是用于燃料電池應用的最佳催化劑。這些材料的缺點是其儲量少并且成本高，因此無法被更廣泛地使用。完全基于豐富的過渡金屬氧化物和功能化碳的催化劑對于未來提供了具有前景的替換方案。因此，用于OER和ORR的過渡金屬催化劑的特征化是當前的一個重要的研究焦點。

已經發現主要由鎳和鐵構成的層間化合物是特別高效的OER催化劑。具有所謂的層狀雙氫氧化物(LDH)的形式的NiFe化合物是特別值得一提的。Dresp等人(S.Dresp、F.Luo、R.Schmack、S.Kühl、M.Gliech和P.Strasser，Energy Environ.Sc.，2016，9，2020-2024)已表明NiFe LDH適合作為雙功能兩組分催化劑系統中的OER活性組分。不幸的是，所述系統在電化學壓力測試期間表現出巨大的活性損失，這可以歸因于高OER電位所導致的ORR活性碳基物種的退化。因此OER活性組分的活性不受限制。除了NiFe LDH之外，對于使用在再生燃料電池中的雙功能催化劑需要第二種足夠穩定的ORR活性組分，這是因為NiFeLDH不具有足夠的ORR活性。

錳氧化物(特別是鈣鈦礦(Mn₂O₃)和錳鉀礦類型氧化物(MnO₂))在堿性介質中具有可與商用Pt/C比較的ORR活性。這些氧化物的缺點是由于具有較小表面積和較差導電性的材料的尺寸所導致的。這些缺點要求對金屬氧化物進行修改以及使用具有較大表面積的適當的導電載體材料。最常見的載體材料是碳黑(比如Vulcan XC-72R)、石墨烯或碳納米管(CNT)。但是鑒于其在OER相關電位下可能發生的碳腐蝕，這樣的載體材料導致催化劑材料的顯著不穩定。因此，這樣的含碳催化劑系統在雙功能氧電極系統中受限于長期穩定性。

專用于ORR的催化的材料與專用于OER的催化的材料的組合導致一種新的催化劑系統，其在理想情況下具有對應的專用材料的催化屬性的優點。但是對應材料的缺點通常也被繼承。這就使得極難找到兩種材料能夠活性催化前面提到的其中一種反應并且在逆反應的完全不同條件下具有足夠的穩定性。