[发明专利]一种用于电解水的催化剂结构及制造方法

说明书

本发明提供一种用于电解水的催化材料及其制作方法。其包含氧化铁载体以及钴化合物，其中该钴化合物吸附于该氧化铁载体表面。

技术领域

本发明是关于一种用于电解水的具有独特结构催化材料的制作方法，尤其是指一种包含氧化铁载体和钴化合物独特结构的催化材料及其制作方法。

背景技术

电解水为一种环保的产氢和产氧的方法，是以电能将水转换成氢气与氧气，相较于传统工业中以热裂解石化燃料或以蒸气重组所得氢气，电解水所产生的氢气纯度更高，无须经过纯化即可直接使用，而电解设备的体积、成本、装置难易度也远低于传统工业的产氢方式，并且在电解过程中不会产生对环境有害的副产物，比传统工业的产氢技术更为环保。

但是，电解水最大的困难在于电解时能量耗损大而导致成本居高不下，因此如何降低能量损耗以降低成本为目前研究重点之一。其中一种方式便是在电解水过程中在电极上涂覆催化材料，来降低电解水的电位。在过去的文献中曾指出铁、钴或镍是化合物催化材料能够有效降低电解水的电位，但是由于这些催化材料均具有磁性，致使催化材料会发生团聚现象而彼此吸附成团，使得催化材料的反应面积变小而效果不佳。此外，过去的文献亦曾使用贵金属铂或铱做为电解水的催化材料，虽然效果好但也使电解成本提高。有鉴于此，需要提供一种新的用于电解水催化材料及其制作方法。

发明内容

本发明提供一种用于电解水的催化材料及其制作方法，催化材料包含氧化铁载体以及数个吸附于氧化铁载体表面的钴系化合物，为一种可电解水的非贵金属催化剂，不但能够降低电解水的反应起始电位，提升电解效率，并具有成本较低、合成快速、产量大、工艺简单和较短的制造时间等优点。

在本发明以氧化铁为载体，具有棉絮状非致密结构。载体表面覆钴系化合物。这些钴系化合物为钴氧化物、钴氢氧化物或其组合。

在本发明之一实施方式中，这些钴化合物催化材料为氢氧化钴。

附图说明

图1是本发明的铁钴催化材料的扫描式电子显微镜(Scanning electronmicroscope，SEM) 影像图；

图2是本发明的铁钴催化材料结构示意图。以氧化铁为载体，周围包裹氢氧化钴。

具体实施方式

根据本发明实施方式，一种用于电解水的催化材料包含氧化铁载体以及钴化合物，其中这些钴化合物吸附于氧化铁载体表面，改善了钴化合物的团聚现象。此外，由于这些钴化合物之间具有间隙，暴露出部分氧化铁载体表面，因此在电解水的过程中，反应时所生成的气体能顺利地离开催化剂，避免气体残留于催化剂中而导致阻值上升。此外，由于本发明的钴化合物吸附于氧化铁载体表面，亦能够避免气体从团聚的钴化合物排出时所可能发生的崩解问题，而延长了催化剂的使用寿命。

根据本发明之一实施方式，一种制作用于电解水催化剂的方法包含以下步骤：将300毫克(mg)的氯化铁(FeCl₃)溶于去离子水中，再加入500μL的0.5M草酸(H₂C₂O₄)，形成溶液，并加入少许氢氧化钠协助氯化铁溶解，溶液酸碱值为约5～6，接下来将溶液加热到温度约160℃以上，反应时间至少30分钟，此时生成沉淀物，将此沉淀物经由过滤、清洗和烘干，得到重量为30～40mg的氧化铁(Fe₂O₃)，最后，将氧化铁和钴化合物混合，在微波中加热10分钟，形成以氧化铁/钴化合物催化材料。

根据本发明的实施方式，以氧化铁为载体能够避免催化剂的团聚现象，其中钴化合物为钴氧化物、钴氢氧化物催化剂或其组合。

图1显示根据本发明的催化材料载体的扫描式电子显微镜影像图，氧化铁载体的外型大致上呈球状，平均粒径为150纳米(nm)。图2显示氧化铁载体表面吸附着钴的化合物。

根据本发明的实施方式，混合氧化铁和钴化合物包括以下步骤，将氧化铁与氯化钴以不同重量比例混合，加入少许草酸后，形成溶液，其中氧化铁与氯化钴的重量比为3∶20～3∶ 80，在一较佳实施方式中，氧化铁与氯化钴的重量比为3∶55～3∶65，此外，调整溶液的酸碱值为碱性，例如：加入氢氧化钠调整酸碱值范围为9～10，最后加热，其中氯化钴与碱反应后生成具有电解水催化性质的氢氧化钴(CO(OH)₂)吸附于氧化铁载体表面，此外，可以调控氧化铁和氯化钴的重量比例，决定在氧化铁载体表面分布的氢氧化钴的含量和间隙的大小以及数量。本发明提供一种流程简单、快速且产量高的制作一种催化材料的方法，此外，本发明反应物，例如：氯化铁和氯化钴，皆属于非贵金属，相较于一般的贵金属触催化剂来说，成本大幅降低。