[发明专利]具有高比表面积的金属/金属硫属元素化物电极

说明书

本发明涉及一种电极、一种用于制备这种电极的方法、以及一种使用这种电极将水氧化成分子氧的方法。所述电极包括导电基板，所述导电基板的至少一部分表面覆盖有铜的金属沉积物，所述沉积物的表面为氧化的、硫化的、硒化的和/或碲化的形式，并且所述沉积物的比表面积大于1m²/g。

技术领域

本发明的目的为具有高比表面积的金属/金属硫属元素化物(特别是金属氧化物或金属硫化物，尤其是氧化铜或硫化铜)电极和用于制备所述电极的方法，以及含有所述电极的电化学装置和所述电极特别地在电解过程中的用途，更特别地用于将水氧化成分子氧的用途。

背景技术

水氧化成分子氧(也称为析氧反应，OER)是使用水作为电子源的关键反应，特别是在用于还原诸如二氧化碳或水本身的化合物的电化学装置和光电化学装置的情况下。该反应可以如下表示为：

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

有效的水氧化系统需要使用具有良好稳定性和良好选择性的催化体系，但最重要的是所述催化体系允许在高电流密度和低过电压下催化反应。由于反应涉及四个质子和四个电子的损失，因此这种催化体系特别难以获得。因此有必要进行电子和质子的有效转移。

自20世纪70年代以来，已经提出了大量的催化体系。大多数早期体系由分子络合物或铱或钌的金属氧化物组成。然而，这些贵金属的稀有性和成本限制了它们的使用，特别是在工业规模上。近来，主要的研究工作已经致力于用更丰富且更便宜的金属代替这些金属，以使这些电化学和光电化学系统能够得到更广泛的应用。

无论是在非均相催化剂体系还是在分子催化剂体系中(Nocera2012)，已经提出了基于Co、Ni、Fe或Mn的催化剂的实例。虽然这些体系已经获得了良好的催化活性，特别是钴基材料，但它们仍然具有相对较低的电流密度和高过电压(例如，对于磷酸钴催化剂，观察到在320mV过电压时为0.1mA/cm²，参见Kanan等人，2008年)。

近来，已开发出基于氧化铜(CuO)的异质电极或基于氧化亚铜(Cu₂O)的电极，用于将水氧化成分子氧(Liu等人.2016年(a)和(b))。获得的结果与使用钴基体系获得的结果相当，但使用了更便宜的材料，其中铜比钴便宜5倍。然而，这些电极对于分子氧的产生仍然存在过高的过电压。

因此，仍然实际需要开发能够以高电流密度和低过电压催化水氧化反应的新型催化体系。

发明内容

因此，本发明的第一个目的是包括导电基板的电极，所述导电基板的至少一部分表面覆盖有金属沉积物，所述金属选自铜、铁、镍、锌、钴、锰、钛及其混合物，优选为铜，所述沉积物的表面为氧化的、硫化的、硒化的和/或碲化的形式，并且所述沉积物具有高比表面积，更具体地，比表面积大于或等于1m²/g。

这种电极可用于在高电流密度和低过电压下催化水氧化反应(通常在小于350mV的过电压下为10mA/cm²)。出人意料地是，这种电极比现有技术中使用例如，由导电电极上磷酸钴沉积物组成的电极(在410mV过电压下为1mA/cm²-Kanan等人，2008年)或使用铜/氧化铜电极(在485mV下为1mA/cm²–Du等人，2015年)获得的结果具有更好的结果。

在本发明的含义内，“电极”是能够捕获或释放电子的电子导体。释放电子的电极称为阳极。捕获电子的电极称为阴极。

在本发明的含义内，“导电基板”是能够导电的基板。