[发明专利]析氧催化剂电极及其制备和使用方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年5月26日提交的美国临时专利申请号62/166471的权益，该专利申请的公开内容以引用方式全文并入本文。

背景技术

水电解槽是通用的电化学装置，用于从纯水中制备超纯(例如，通常至少99.9％的纯度)氢气。就基于质子交换膜(PEM)的水电解槽而言，可在高压下获取氢气。这些电解槽经常包含类似于用于燃料电池的质子交换膜的膜电极组件。但是，基于质子交换膜的水电解槽在阴极产生氢气(经由析氢反应)并在阳极产生氧气(经由析氧反应)。本文中电化学装置中的电极名称“阳极”或“阴极”沿循UPAC常规，其中阳极是主要反应为氧化反应(即，燃料电池的H₂氧化反应电极，或水或CO₂电解槽的水氧化反应/O₂析出反应电极)的电极。在质子交换膜燃料电池中，发生在阴极的氧化还原反应是缓慢反应并且负责几乎所有在燃料电池的电势上的动力学，发生在阳极的氢气氧化反应影响较小。同样，在电解槽中，析氧反应是缓慢反应而析氢反应是容易进行的反应。燃料电池和电解槽之间的显著差异在于鉴于燃料电池产生低于1.0伏特的电池电压，电解槽需要高于约1.5伏特的所施加的电池电压(阳极对阴极)，以便从水电解中产生可用的产氢速率。这需要在电解槽的析氧电极上有高的正电势(超过+1.23V)，其导致材料诸如燃料电池电极中使用的碳或石墨发生腐蚀。

在阳极上具有至少2.0mg/cm²(但更普遍为4.0mg/cm²或更高)的铂族金属催化剂(例如，作为高表面积金属细粉的金属Ir、作为高表面积金属细粉的PtIr、Ir氧化物、PtIr氧化物以及PtRu氧化物)的典型的现有技术的质子交换膜电解槽在施加1.85伏至2.0伏偏置电势时产生大约2.0A/cm²。为承受此类相对高的电压，传统上，只使用固体金属颗粒的催化剂(俗称黑触媒(black)或高表面积金属细粉)，因为碳支撑的催化剂会快速腐蚀。通常，即使阴极电势保持接近可逆的氢电势，电解槽制造商也会在阴极上使用黑触媒以避免任何问题发生造成重大故障，诸如将使阴极催化剂承受高电势的阴极电池逆转。从几十年前引入铂族金属黑触媒作为电解槽催化剂以来，在电解槽中的这些严苛的操作条件阻碍新的催化剂技术引入该领域中。

另外，缺乏足够的析氧反应活性和铂族金属黑触媒的稳定性，需要相对高的催化剂负载，这使资金成本非常高。例如，需要更有效的质子交换膜电解槽催化剂，其可在与常规的铂族金属黑触媒相同的电势(效率)下操作而铂族金属负载大大减少。

发明内容

在一个方面，本公开描述了析氧反应电极，所述析氧反应电极依次包括：

离子传导膜，该离子传导膜具有大体对置的第一主表面和第二主表面；

纳米结构化晶须，该纳米结构化晶须在其上具有析氧反应电催化剂，该电催化剂包括至少一个层，其中析氧反应催化剂的任一层基于相应层的全部总共阳离子和元素金属含量计包含总共至少95(在一些实施方案中，至少96、97、98、99、99.5或甚至至少99.9)原子百分比的Ir(其可以作为金属Ir、Ir氧化物(即，至少一种Ir氧化物)或其组合)，和不大于5(在一些实施方案中，不大于4、3、2、1、0.5、0.1、0.005或甚至不大于0.001)原子百分比的Pt；和

第一流体输送层，该第一流体输送层包含导电耐腐蚀的多孔金属，

其中纳米结构化晶须与离子传导膜的第一主表面相邻并且第一流体输送层用作与纳米结构化晶须电接触的金属电极，并且其中离子传导膜、在其上具有析氧反应电催化剂的纳米结构化晶须和第一流体输送层总共具有至少0.1S·cm^-2(即，0.1西门子每平方厘米)(在一些实施方案中，至少0.5S·cm^-2、1.0S·cm^-2、5S·cm^-2、10S·cm^-2、15S·cm^-2、20S·cm^-2或甚至至少25S·cm^-2)的电导系数。

例如，本文所述的析氧反应电极可用于电化学装置(即，水电解槽或二氧化碳电解槽)。