[发明专利]电催化剂

说明书

发明概述

本发明涉及一种电催化剂，其包含选自Pt、Ta和Ru的第一金属、为Ir的第二金属、和第三金属。本发明还涉及使用含有该催化剂的电极和在电催化过程中所述电极的使用。特别地，该电催化剂可作为用于氧还原反应、析氧反应、析氢反应、氢氧化(hydrogen oxidation)反应、一氧化碳氧化反应和甲醇氧化反应的双功能空气电极。

背景技术

金属基催化剂在电催化过程中的应用在现有技术中是众所周知的。例如，氢/空气燃料电池通过转化燃料(通常是氢)而产生电能。常规地，这种燃料电池包含由隔膜(例如Nafion)分隔的两个半电池，其中氢在阳极(通常是Pt基阳极)处被氧化，相应的半反应(也称为“氢氧化反应”或者“HOR”)是：

H₂→2H⁺+2e^-(E°＝0.0V，相对于NHE)

理论上，甲醇、乙醇和甲酸可以代替氢作为燃料，尽管这些类型的燃料的阳极氧化是复杂的。例如，在K.Scott等，J.Appl.Electrochem.31，823-832，1991中公开的直接甲醇燃料电池(DMFC)，通过引用并入本文。因为燃料电池必须在电中性条件下操作，所以在阴极处必须发生还原反应，其通常涉及氧(O₂)的还原。通常使用的催化剂也是Pt基的。相应的半反应(也称为“氧还原反应”或者“ORR”)是：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O(E°＝1.23V，相对于NHE)

相对于ORR，氢的氧化进行得容易。该ORR必须在酸性环境下发生并且受到慢的动力学阻碍。这些慢的动力学导致在热力学电势差ΔE＝1.23V下不能产生大的电流密度，并且需要较高的过电势(驱动力)以产生适当的电流密度。虽然这可以通过使用例如在阴极上负载更多的Pt来部分地遏制，但是这将导致成本更高。其它的问题包括副反应生成的过氧化氢，其影响阴极的稳定性并且甚至可导致分隔半电池的隔膜分解。参考A.E.Gewirth和M.S.Thorum，Inorg.Chem.49，3557-3566，2010，通过引用并入本文。因此，需要可产生较高的电流密度而不产生明显过电位的Pt基阴极。

Stamenkovic等，Angew.Chem.Int.Ed.Engl.45，2897-2901，2006，提出了一种3d过渡金属如何影响Pt催化剂在ORR中的活性的模型，通过引用并入本文。研究的催化剂是Pt₃M，其中M是Ti、Fe、Co或Ni。

2009年11月发表的DOE年度进展报告2009(DOE Annual Progress Report 2009)，在V.E.2部分中公开了电催化剂Pt₂IrCr、Pt₂IrFe、Pt₂IrCo、Pt₂IrNi、Pt₄IrCo₃、Pt₄Ir₅Co_1.53和Pt₆IrCo₇以及它们在ORR中的应用，通过引用并入本文。

另一个公知的电化学反应是析氧反应(“OER”)，例如在很多工业过程如通过水的碱性还原反应制氢过程中在阳极处发生。半反应是：

4OH^-→O₂+2H₂O+4e^-(E°＝0.40V，相对于NHE)

制氧通常不是主要的目标，尽管在需要氧气的地方例如空间飞行器和潜水艇中是有用的。OER通常在碱性介质中用Ni基催化剂上进行。然而，它们比例如Ru基和Ir基催化剂需要更高的过电位。另一方面，Ru基和Ir基催化剂具有昂贵和在碱性介质中差的长期稳定性的缺陷。参见M.E.G Lyons and M.P.Brandon，Int.J.Electrochem.Sci.3，1386-1424，2008，通过引用并入本文。因此，在现有技术中上需要用于OER特别是在酸性介质中的有效的金属基催化剂。