[发明专利]碳电极

说明书

本申请要求享有AU2012904330的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明公开一种用于处理碳的方法。该方法通过对碳的表面进行改性使碳适合用作电极。在一些实施方案中，表面改性导致改进的功能特性，如提高的反应性、更大的表面积、改善的电极性能。还公开了通过该方法生产的碳电极。

当用作电极时，处理后的碳可被用于电解例如水，从而代替铂电极，并且还可在催化转换器中发现应用，并再次代替铂。然而，应该理解的是，处理后的碳并不限定于这样的应用。

背景技术

在水的电解中，在电解池的阴极(电极)产生氢气，在电解池的阳极(电极)产生氧气。需要更多的电力，以超电位的形式，提供给电解池的电极，以克服各种活化势垒，否则电解进行缓慢。在电解水的电解池中，阳极可以由合适的惰性金属如铂制造。这样的惰性金属材料是昂贵的。此外，在现有的电解池和电解方法中，竞争性副反应可能占主导地位，特别是在水中存在有盐的情况下。

背景技术中对任何文献的引用并不构成对这种技术形成本领域普通技术人员的一般知识的一部分的认可。上面描述也并非旨在限制本文所公开的方法的应用。

发明内容

本文描述的是一种电解水的方法。该方法包括以下步骤:通过用一种或更多种离子液体处理碳材料以用来自离子液体的离子使碳表面官能化，来制备碳电极。所述一种或更多种离子液体中至少一种的Δ[pK_a]为约10至约20。该方法还包括用碳电极电解水的步骤。

在本文中术语“离子液体”指这样的物质，其仅由离子构成并在水的沸点以下优选低至室温保持液体状态。离子液体具有酸成分和碱成分。

离子液体的酸成分和碱成分各自具有pK_a。碱成分的pK_a是14-pKb。酸成分和碱成分的pK_a之差可由下式表示:

其中pK_a(碱)是碱的酸度常数，pK_a(酸)是酸的酸度常数。

Δ[pK_a]是离子液体的平衡向离子状态迁移的度量。离子液体的Δ[pK_a]可为约或大于10。约或大于10的Δ[pK_a]可导致高度离子化的离子液体。高度离子化是指溶液中物质的约80%、85%、90%、95%或99%被离子化。如果Δ[pK_a]小于约10，则离子液体可能不稳定。此外，在Δ[pK_a]小于约10的情况下，离子液体中可存在中性物质，其可对离子液体的性质如电化学性质产生不利影响。在一些实施方案中，Δ[pK_a]为约或大于12、约或大于15或约或大于17。

离子液体的Δ[pK_a]可为约或小于20。大于约20的Δ[pK_a]是不期望的。大于约20的Δ[pK_a]可能会导致使酸成分和碱成分之间质子转移的巨大“驱动力”，使得基本上没有参与其他反应的游离质子。在一些实施方案中，Δ[pK_a]为约或小于19、约或小于17或约或小于15。

在一个实施方案中，Δ[pK_a]为约10至约15。在另一个实施方案中，Δ[pK_a]为约15至约20。

选择离子液体可包括选择Δ[pK_a]为约10至约20的单一离子液体。或者，可选择两种或更多种离子液体的混合物，只要离子液体中的至少之一的Δ[pK_a]为约10至约20。在一些实施方案中，每一离子液体的Δ[pK_a]均为约10至约20。离子液体以溶液的形式提供。溶液中离子液体的量可为60体积%、70体积%、80体积%、90体积%或95体积%。离子液体溶液中溶剂的量可为10体积%、20体积%、30体积%或40体积%。这可导致溶液具有0.5M、1M、1.5M的离子液体。

可以以水溶液的形式提供Δ[pK_a]为约10至约20的离子液体。当所得的碳电极用于电解水时，水溶液是有利的。这是因为所述离子液体分散于其中的介质(即水)与碳电极在其中运作的介质相同。在一些实施方案中，所述一种或更多种离子液体以有机溶液的形式提供。有机溶剂与离子液体应该是混溶的。有机溶液可以选自包括以下的组:乙腈、乙醇或甲醇。