[发明专利]电化学过程用的无定形金属/金属玻璃电极

说明书

发明领域

本发明涉及到一种用于电化学过程的改进的电极材料，特别是一种用于构成电极活性表面的无定形金属/金属玻璃电极材料，该电极用于水溶液的电解中，特别是用于通过所述电解电化学法制备氧气和氢气中。

发明背景

在制备氢气和氧气的电解池中，例如那些双极性和单极性型电解池中，一种苛性碱水溶液被电解以在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，且总的反应是水的分解以生成氢气和氧气。电解产物通过使用膜/隔板而保持隔离。已熟知用无定型金属/金属玻璃和纳米晶材料作为氢气和氧气的生成反应的电催化剂。术语“无定形金属”或“金属玻璃”两词在现有技术中很容易理解，其定义为一种不包含长程有序结构，但可以包括短程有序结构和化学有序化的材料。下文中，在说明书与权利要求书中，这两个术语将用作同义词且可交换使用。术语“纳米晶”指的是一种具有几个纳米数量级的微晶粒子尺寸的材料，即微晶组分的粒子尺寸小于10纳米。此外，术语“金属玻璃”包括说明书与权利要求书中的纳米晶材料。

在一个电解反应中，并不是所有在电解时通过电解池的电压都用于产生氢气和氧气。电解池效率的损耗常常被称为可使反应以所需速率进行的电解池超电势，并且其超过可逆的热动力学分解电压。该电解池超电势可来源于：(i)在阳极或阴极发生的反应，(ii)由于两极间溶液的欧姆电压降引起的电势降，或(iii)放置在阳极与阴极之间的膜/隔板材料导致的电势降。后两者的功效是由电解池设计的特点所决定的，而(i)则直接是在电解池中使用的电极材料活性的结果，包括任何活化或预处理步骤。通过测定塔菲尔斜率(Tafel slope)与交换电流密度发现，电极的性能与在阳极与阴极两者上所观察到的超电势直接相关(下文有所解释)。

通过将金属盐加入到电解液中作为只在液相中发挥作用的“均匀的”催化剂，可以得到用于水的电解的优异电极性能，这些“均匀的”催化剂遇到的困难是必须将这些添加剂加入到操作的池中发挥作用，同时粉末状金属盐的毒性及含有这些添加剂的电解液的处理问题也随之而来。一个理想的替代物是一种由Ni和一种或多种金属盐组分组成的基础合金，其仍然能提供(对应于在碱性溶液中电化学稳定地制备氢气和氧气的)低电压和高电流电解池行为的相同操作特征。

在1995年7月4日授权的属于Trope，S.J.和kirk，D.W的美国第5,429,725号专利描述了通过在Ni基的金属玻璃中结合Mo和Co两种元素制得的合金的改进的电催化性能。

然而，与包含Mo的合金相比，在包含(Cr，V)的合金中仍然需要与更低的塔菲尔(Tafel)斜率相结合的更高交换电流密度，因此，需要碱性水电解的电催化材料的操作效率增强。参考目录